Mariner 5 - Définition
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Introduction
Mariner 5 est la cinquième d'une série de sondes spatiales américaines pour l'exploration interplanétaire par survol. Elle réalisa des analyses de l'atmosphère et du voisinage de Vénus.
Conception
Elle fut construite en tant que doublure de Mariner 4, et après le succès de cette mission vers Mars, elle fut modifiée pour la mission vénusienne. Elle conserva son châssis, système de propulsion et de communication. Les modifications majeures consistèrent en l'inversion de l'orientation de la sonde (la Terre se trouvant du côté opposé au Soleil, contrairement au vol vers Mars) et l'amélioration de son isolation thermique.
Les panneaux solaires furent donc inversés et de taille réduite (la proximité du Soleil permettant d'obtenir la même puissance électrique avec une surface moindre), la nouvelle envergure de la sonde était de 5,5 m.
L'isolation thermique fut renforcée notamment par l'adjonction d'un parasol déployable sur la face éclairée du châssis de la sonde.
Pour améliorer l'expérience d'occultation, l'antenne parabolique, fixe sur Mariner 4, fut dotée de deux positions afin de la repositionner exactement vers la Terre lors du survol.
Les instruments scientifiques furent améliorés et éventuellement relocalisés en fonction des nouvelles contraintes thermiques ou géométriques.
Résultats scientifiques
Survol de Vénus
Le survol de Vénus à la vitesse relative assez faible de 3,05 km/s provoqua une déviation importante de sa trajectoire. La mesure de cette perturbation permit de raffiner plusieurs grandeurs de mécanique céleste et ainsi d'améliorer la précision de l'unité astronomique, de la masse de Vénus et de son aplatissement (100 fois moindre que celui de la Terre). Les données télémétriques furent obtenues par mesure de l'effet Doppler du signal de la sonde, mais aussi du délai d'un aller-retour de signal entre la Terre et la sonde, cette dernière méthode n'avait pas été possible avec Mariner 4.
Lors du passage derrière Vénus, le signal de la sonde était reçu par l'antenne de 64 m de l'observatoire de Goldstone tandis qu'il traversait progressivement les couches plus profondes de l'atmosphère, et inversement alors que la sonde émergeait de l'autre côté. La mesure de l'atténuation, la réfraction et la dispersion du signal permit de modéliser pression, densité et température de l'atmosphère selon l'altitude. Mais cette expérience d'occultation ne permit pas de connaître la taille de la planète, le signal ayant été « capturé » à 6 090 km du centre avant d'être intercepté par la surface solide (qui d'après les observations ultérieures se trouvait alors environ 32 km plus bas).
Ce phénomène, dit de réfringence critique, se produit à l'altitude où l'indice de réfraction devient suffisamment élevé pour dévier systématiquement un rayon horizontal vers la surface de la planète. La réfraction est telle qu'un observateur à la surface aurait par illusion d'optique l'impression d'être toujours au fond d'une dépression. De même, les rayons solaires captés sur la face diurne sont propagés loin au-delà du terminateur et produisent une nuit illuminée en permanence, ce qui explique la faible lueur observée depuis longtemps sur la face nocturne de la planète.
Cette expérience d'occultation compléta les observations faites par Venera 4 et permit de conclure à une composition atmosphérique de 85 à 99% de CO2, et d'interpoler la pression et la température de surface à 100 bars et 700 K.
Un autre signal, cette fois de la Terre à la sonde, émis par l'antenne de 45 m du centre de radioastronomie de l'Université Stanford à Palo Alto sur deux fréquences différentes, était mesuré par le récepteur bi-fréquence la sonde. L'analyse de l'altération différentielle des deux signaux reçus renseigne sur le milieu ionisé qu'ils traversent. Avec le magnétomètre et la sonde à plasma, ces instruments observèrent l'ionosphère, le champ magnétique vénusien et leur interaction avec le vent solaire. Comme l'avait révélé Mariner 2, la planète ne possède pas de magnétosphère (le champ magnétique vénusien est plus de 1000 fois inférieur à celui de la Terre), mais la sonde repéra tout de même une surface de choc dans la propagation du plasma solaire, cette déflection fut attribuée aux courants induits par le plasma dans l'ionosphère vénusienne.
L'étude précise de l'exosphère vénusienne aurait requis un spectromètre UV, mais les contraintes de délais, budget et masse de la mission ne permirent d'embarquer qu'un simple photomètre à trois canaux dévolu à la détection d'hydrogène et d'oxygène atomiques. Mariner décela dans la couronne vénusienne une teneur en hydrogène comparable à celle de la Terre, et l'absence d'oxygène. Mais l'inexistence de modèle atmosphérique évolué, l'absence de télémétrie propre à cette expérience et les défauts d'alignement des capteurs ne permirent pas de comprendre les propriétés complexes de cette zone.
Lancement et transit
Après la manœuvre d'injection, la sonde réalisa les observations de la geocorona les plus lointaines pour l'époque, elle transmit des données sur son passage à travers la ceinture de Van Allen, sur la magnétopause, les fluctuations de la magnétogaine et la traversée de la surface de choc.
Il s'avéra que la sonde fut lancée pendant une période d'intense activité solaire, on ne retrouva donc pas la régularité des caractéristiques du milieu interplanétaire relevée par Mariner 2 et IMP A. Cette agitation permit de faire les premières observations directes d'ondes d’Alfvén et d'étudier les éruptions solaires en coordination avec des satellites terrestres.
L'expérience de mesures coordonnées la plus étendue et la plus spectaculaire fut celle entre Mariner 5, la Terre et Mariner 4, toujours opérationnelle presque deux ans après son lancement et située entre les orbites terrestre et martienne. Les positions des sondes et de la Terre évoluaient alors entre deux configurations idéales pour l'étude de la propagation des vagues de particules: d'un alignement radial le 20 août jusqu'à un alignement suivant la spirale du champ magnétique solaire le 19 septembre. Malgré l'état défaillant de la sonde à plasma de Mariner 4, les résultats furent enrichissants et permirent la première mesure du gradient du vent solaire.
