Le satellite Taranis pour étudier les mystérieux phénomènes lumineux des orages

Publié par Redbran le 11/11/2020 à 13:00
Source: CNRS
Sprites, Elfes, Jets... Peu de gens savent que ces termes fantastiques sont utilisés par les scientifiques pour décrire des événements lumineux transitoires. Ce sont des flashs lumineux qui se produisent pendant les orages actifs, au-dessus de nos têtes, à quelques dizaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la...) d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) à peine. Et peu de personnes savent que les orages peuvent se comporter comme des accélérateurs de particules donnant lieu à des bouffées ultra-brèves de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X et gamma. Mais quels sont les processus et les mécanismes physiques derrière ces phénomènes découverts il y a à peine 30 ans ? Ont-ils un impact sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) et la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...) de la haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec...), ou même sur l'être humain ? Tels sont les principaux enjeux du satellite (Satellite peut faire référence à :) français Taranis qui rejoindra l'espace dans la nuit du 16 au 17 novembre, sur un lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) Vega (Vega est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA) réalisé en collaboration avec l'Agence spatiale italienne (ASI), et le Centre national d'études spatiales (CNES) pouvant placer en orbite basse une...) au départ du Centre Spatial Guyanais (Le Centre spatial guyanais (CSG) est une base de lancement française et européenne, située près de Kourou en Guyane française...). Cette mission 100% made in France a impliqué des scientifiques du CNES, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), du CEA et de plusieurs universités françaises.


Les événements lumineux transitoires (TLE) ainsi que les flashs de rayons gamma terrestres (TGF) sont observés dans toutes les régions du monde (Le mot monde peut désigner :), partout où se produisent des orages. Mais faute de connaissances suffisantes, ils ne figurent pas dans la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) d'outils mis à la disposition des climatologues et des météorologues. Ont-ils un impact sur les événements climatiques extrêmes qui se multiplient ? Si oui, leur modélisation permettrait de les intégrer, en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel, dans les prévisions. Taranis a beau être un satellite (Satellite peut faire référence à :) de recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en...), en contribuant à la connaissance de la machine thermique (La théorie des machines thermiques s'attache à la description et à l'étude physique de certains systèmes thermodynamiques qui permettent de...) et climatique qu'est la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et...), l'exploitation de ses données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pourrait déboucher sur des applications plus opérationnelles, comme la climatologie ou la météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre comment ils se forment et évoluent en fonction des...).

Elfes, sylphes, anges, farfadets, jets, lutins (sprites en anglais) ou même gnomes... la poésie du glossaire contraste avec la violence du phénomène. Différentes par leur nom, leur durée ou leur forme, ces manifestations atmosphériques lumineuses constituent la famille générique des événements lumineux transitoires (TLE). Éphémères, elles se produisent entre le sommet des nuages d'orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le...) et 90 km d'altitude. Présumée dès 1920, leur existence a été confirmée dans les années 90. De nombreuses observations faites depuis le sol et l'espace ont permis de les répertorier. En forme d'anneaux lumineux en expansion, les elfes apparaissent à 90 km d'altitude et ne durent qu'une milliseconde ; un orage actif peut en produire des milliers en quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :). Entre 40 et 90 km d'altitude, les sprites ont une structure filamentaire complexe et peuvent durer jusqu'à 10 millisecondes. Les jets bleus apparaissent à la partie supérieure des nuages d'orage et se propagent jusqu'à 50 km d'altitude. Occasionnellement, des jets "géants" peuvent se propager jusqu'à 90 km.

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) des flashs de rayons gamma (TGF) est récente à l'échelle de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient...) ; la première a été faite en 1994 par le Compton Gamma-Ray Observatory (Le Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) est un observatoire lancé par la NASA dans la famille des quatre « grands observatoires » (à la suite du télescope spatial Hubble). Il a été...), l'observatoire des sources célestes de rayons X et gamma embarqué sur la navette (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations spatiales en orbite basse mais pouvant aussi assurer d'autres missions, telles que le...) américaine Atlantis. Dans certaines conditions, l'orage provoque une bouffée de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) gamma ; le phénomène est ultra-bref. Ces flashs ont été, un temps, considérés comme rares et concomitants à l'apparition des sprites. On sait maintenant qu'ils sont liés à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) électrique dans les orages. Faute d'équipements spécifiques, les études complémentaires du laboratoire spatial italien Agile (2007) ou du télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par...) américain Fermi (2008) n'ont permis ni de confirmer totalement les hypothèses actuelles sur le mécanisme qui les génère, ni d'estimer leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».). Taranis apportera donc des compléments d'information sur leur apparition, leur mécanisme et leur impact radiatif, non mesuré à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...).

En France, le CEA s'intéresse dès 1993 à ces manifestations et à leur impact. Le 9 décembre 2010, le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) est officialisé par le Conseil d'administration du CNES. La mission est 100 % made in France, l'axe scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) étant développé par des laboratoires également français. En plus du CEA, le CNRS s'engage fortement avec l'implication de plusieurs laboratoires de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...): le Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (LPC2E) assure la coordination du développement de la charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) scientifique, la responsabilité du centre de mission scientifique et contribue à l'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) ; l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) de recherche en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) et planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend des grains microscopiques jusqu'aux planètes géantes gazeuses.) (IRAP), le Laboratoire atmosphères et observations spatiales (LATMOS) et le laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (APC) contribuent à la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) utile. L'instrumentation de Taranis intègre des participations étrangères, celles de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Stanford et du Goddard Space Flight Center (États-Unis), celles en République Tchèque de l'Institut de physique atmosphérique (IAP) et de l'Université Charles et enfin celle du Space Research Centre de l'Académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus...) polonaise (CBK). Le CNES assure la prise en charge financière du programme pour un montant total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...) de 110 millions d'euros.

Dans son apparence, Taranis est atypique: il a troqué le "mylar" alu ou doré, ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) qui recouvre traditionnellement les satellites, pour une peinture spéciale noire et blanche. Le détail n'a rien d'esthétique. Il s'agit d'une part de ne pas modifier le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout point de l'espace la force électrique exercée...) qui l'entoure et d'autre part, d'éviter toute réflexion lumineuse susceptible de perturber les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) optiques de la mission. Moins visible, son atout majeur réside dans la conception originale de sa charge utile. Elle cumule huit instruments qui seront exploités comme un seul grâce au calculateur MEXIC, la vraie plus-value de Taranis. Ce cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de...) cumule de nombreuses responsabilités: il alimente les instruments et gère la charge utile, met en oeuvre la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) de déclenchement lors d'un événement, synchronise les instruments et assure même le transfert des données sélectionnées vers la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...).

Zoom sur la charge utile de Taranis

- XGRE : ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) de trois détecteurs X et gamma pour la mesure des photons hautes énergies (50 keV - 10 MeV) et des électrons relativistes (1 MeV - 10 MeV) - APC/IRAP/CNES ;
- MCP (MC-U et PH-U): ensemble de deux caméras (10 images/seconde) et de quatre photomètres pour mesurer la luminance (En physique, la luminance est l'intensité d'une source de lumière visible dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente de cette source dans cette...) dans différentes bandes spectrales - CEA/CNES ;
- IDEE: ensemble de deux détecteurs d'électrons énergétiques (70 keV - 4 MeV) - IRAP/Université Charles ;
- IMM: magnétomètre (Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer l'aimantation d'un système. Il en existe différents types, basés sur des principes physiques différents. Les principaux sont:) trois axes pour la mesure du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée...) alternatif (5Hz - 1 MHz)
- LPC2E/Université de Stanford ;
- IME-HF: antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) HF de mesure du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique aux hautes fréquences (100 kHz - 35 MHz) - LPC2E/IAP ;
- IME-BF: instrument de mesure (En physique et en sciences de l’ingénieur, mesurer consiste à comparer une grandeur physique qui caractérise un objet (ou un événement) avec celle de même nature choisie comme unité de mesure. La valeur numérique de...) du champ électrique basses fréquences (DC - 1 MHz) - LATMOS
- SI: sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques et...) de mesure du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) - GSFC/LATMOS ;
- MEXIC: ensemble de deux boîtiers électroniques, comprenant les huit analyseurs associés aux instruments. Il assure l'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) des instruments, la gestion des modes de la charge utile et l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) avec la Mémoire de Masse et l'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques...) de bord. MEXIC aura également pour tâche de synchroniser les instruments lors de détections à bord d'événements (TLE par les photomètres de MCP, TGF par XGRE, faisceaux d'électrons par IDEE, bouffées d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte...) par IME-HF). - LPC2E/CBK.

Pendant deux à quatre ans, Taranis scrutera, en particulier, les régions où l'activité orageuse est intense et où la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) d'observations de TLE et de TGF est élevée. Si le programme est national, c'est bien la communauté scientifique internationale qui attend avec impatience ses résultats. Chimie et physique de l'atmosphère, environnement, climatologie, astrophysique des phénomènes de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.)... dans de nombreux domaines, Taranis sera source de révélations. La mission n'est pas une fin en soi ; elle ouvrira sans doute la voie à de nouvelles investigations.
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