Atmosphère-ionosphère
Perturbations et couplages
 
Dans le cadre des études liées à la surveillance de l'environnement, le CEA étudie différents types de phénomènes qui peuvent perturber l'atmosphère et l'ionosphère : orages atmosphériques ou magnétiques, aurores boréales , instabilités de plasma. Certains de ces phénomènes impliquent un couplage entre les différentes couches de l'atmosphère, voire entre la terre et l'atmosphère.

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Sprites et phénomènes associés
 
Les régions de l'atmosphère supérieure et de l'ionosphère de la Terre interagissent tant avec les couches inférieures de l'atmosphère qu'avec l'environnement externe à la Terre. Ces interactions, récemment découvertes, se manifestent en particulier par des émissions lumineuses dans l'atmosphère moyenne appelées sprites qui témoignent d'un couplage direct entre les cellules orageuses actives, la thermosphère et l'ionosphère. Les sprites se développent entre 20 et 90 km d'altitude. Ils s'accompagnent d'autres types d'émissions lumineuses, appelées elves et jets. Ils pourraient être produits par une avalanche d'électrons relativistes qui se développerait du sommet des nuages jusqu'à l'ionosphère. Jusqu'à présent, ils ont surtout été étudiés depuis le sol.
 
Mesures spatiales
 
L'expérience LSO (Lightnings and Sprites Observations) a pour but l'observation de sprites et d'éclairs, au nadir (c'est à dire à la verticale et vers le bas) et à l'horizon, depuis la Station Spatiale Internationale (ISS). Développée dans le cadre de la mission Andromède de Claudie Haigneré sur ISS, cette expérience a été menée par le CEA en collaboration avec le Centre National d'Etudes Spatiales (Cnes) et avec la participation du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (Lam).
Orage filmé par LSO le 29 avril 2002 au dessus de l'Amérique du Sud. (Gif animé : 1,02 Mo)


Plusieurs séries d'observations ont eu lieu depuis octobre 2001 :
Mission 1 : "Andromède" (vol de Claudie Haigneré) 12-17octobre 2001
Mission 2 : "Andromède" 26 avril - 2 mai 2002
Mission 3 : "Odissea"(vol de l'astronaute belge Frank De Winne) 5-7 octobre2002
8-9 novembre 2002
Mission 4 : Programme Franco Russe 9-12mars 2003
5-9 avril 2003
10-14 avril 2003
28 avril - 2 mai 2003
2-7 mai 2003


LSO a permis de valider une méthode d'observation des sprites depuis le nadir. Cette méthode utilise un filtre adapté pour différencier les sprites des éclairs auxquels ils se superposent lorsqu'on les observe depuis l'espace.

Cliquez ici pour en découvrir les premiers résultats.

L'observation d'émissions gamma d'origine terrestre associées aux orages montrent des énergies considérables. Ces émissions et les ondes électromagnétiques associées pourraient provenir d'un phénomène d'avalanche d'électrons relativistes (énergie > 1 MeV) déclenché par l'impact de rayons cosmiques. Ces processus ont un effet important sur la magnétosphère de la Terre en particulier en modifiant les termes "source" et "perte" des ceintures de radiation.

Mesures au sol
 
Les sprites se forment au dessus des orages à la suite d'éclairs intenses. Le projet européen
Coupling of Atmospheric Layers a pour principal objectif une meilleure compréhension de ce phénomène lumineux.
Mis en place en septembre 2002, il se déroulera sur 4 ans. Ce programme de recherche propose de mener en parallèle des études théoriques, des modélisations et des campagnes de mesures. Le CEA participe participons à ce projet en réalisant des mesures de formes d'onde d'éclairs d'orages avec 4 stations permettant la couverture de la France. Des mesures de sprites sont effectuées simultanément par le Danish Space Research Institute (DSRI) avec des caméras depuis le sol en Corse et à l'Observatoire du Pic du Midi (Pyrénées).

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Spectrogramme issu d'un signal d'éclair mesuré par le DASE dans la gamme HF.


Le trait vertical entre 1 et 8 MHz (entre 100 et 300 µs) est la signature d'un éclair. Les traits horizontaux, continus pendant les 5 millisecondes d'enregistrement, sont dus aux nombreux émetteurs HF. La trace en forme de S entre 4 et 8 MHz est produite par la dispersion du signal électromagnétique de l'éclair lors de sa réflexion sur l'ionosphère.
 
Perturbations ionosphériques
 
Pour étudier les perturbations ionosphériques, les équipes du CEA disposent de deux instruments : un radar HF impulsionnel (R4FEL) et une station de sondage ionosphérique située à Francourville composée d'une ionosonde et d'un sondeur Doppler.
 
Ionosphère Équatoriale : Campagnes de Korhogo (CÔte d'Ivoire) en 1993-1994 pendant l'AnnÉe Internationale de l'Electrojet Equatorial avec le radar R4FEL.
 
L'électrojet équatorial est un champ électrique ionosphérique intense qui se situe à environ 100 km d'altitude à la latitude de l'équateur magnétique. Il s'y développe des irrégularités de plasma. De très nombreux résultats ont été obtenus concernant :


les irrégularités de l'électrojet équatorial,

la mesure du champ électrique dans l'électrojet,

la dynamique de la région F (150 à 1000 km d'altitude) de jour,

les irrégularités de la région F de jour, qui n'avaient jamais été observées auparavant,

le F diffus, une irrégularité qui se produit la nuit dans la région F,

la réflexion des ondes radar sur la colonne d'ionisation formée par des sprites.


Ils ont fait l'objet de quatre thèses et de sept articles dans des revues scientifiques de rang A.



Echos reçus par le radar dans un graphe temps-altitude-intensité.


Des échos ont été mesurés de 100 à 150 km alors qu'ils étaient prédits dans une gamme d'altitude limitée de 100 à 105 km dans la région de l'électrojet. Ces échos proviennent en fait de réflexions obliques sur des irrégularités du plasma ionosphérique d'un type particulier. Les échos entre 200 et 300 km d'altitude forment un courbe descendante jusqu'à 14 heures puis montante. Ils sont produits par la réflexion des ondes radar sur la région F. Ce mouvement est caractéristique de la variation diurne du flux de rayonnement solaire.
 
Effet de l'Éclipse totale du Soleil du 11 aoÛt 1999 sur l'ionosphÈre
 
La formation de l'ionosphère est liée au flux de rayonnement solaire dans la haute atmosphère. Une éclipse de Soleil créant en accéléré un crépuscule suivi d'une aurore, les phénomènes de formation de cette partie de l'atmosphère peuvent être suivis finement.

Animation représentant les ionogrammes réalisés au moment de l'éclipse. (Gif animé : 1,44 Mo)

Un ionogramme est une mesure du profil de densité électronique de l'ionosphère. La période de l'éclipse est symbolisée par la disparition puis la réapparition progressive du disque blanc (sur le coté droit du film) qui représente le Soleil. Pendant l'éclipse, nous voyons un mouvement de la droite vers la gauche du maximum de densité électronique, représenté par les échos de plus forte fréquence, quand le Soleil disparaît. Le mouvement s'inverse quand le Soleil réapparaît. Ce mouvement montre la perte d'ionisation puis la reformation de l'ionosphère.

Parallèlement à ce mouvement, des ondes atmosphériques de grande échelle ont été observées jusqu'à des distances supérieures à 1000 km par rapport à la bande de totalité.
 
Effets des séismes sur l'ionosphère
 

Les ondes sismiques de surface à grande distance, dites de Rayleigh, se propagent dans le sol à des vitesses de l'ordre de 3 à 4 km/s et leurs amplitudes crête à crête peuvent atteindre quelques mm pour des séismes de magnitude supérieure à 6. En tout point de la Terre, s'effectue un couplage entre le sol et l'atmosphère permettant à l'onde sismique de générer une onde acoustique. Cette onde acoustique se propage verticalement à la vitesse du son (environ 300 m/s). Grâce à la conservation de l'énergie et sous l'effet de la décroissance de la densité atmosphérique, l'amplitude de l'onde acoustique est de l'ordre de 100 m lorsqu'elle arrive dans l'ionosphère pour la catégorie de séisme précitée alors qu'elle est de l'ordre de 1 mm au sol. Ce déplacement vertical est mesurable par sondage ionosphérique HF grâce à la variation de la fréquence de l'onde de sondage par effet Doppler. Ces ondes acoustiques servent de "traceur" pour mesurer des caractéristiques de l'atmosphère comme la viscosité, et certains paramètres de propagation verticale des infrasons.


Effet du séisme du Mexique du 19 septembre 1985.


Sur la figure ci-dessus, sont représentés : en bas, le mouvement vertical du sol mesuré en France lors du séisme survenu au Mexique le 19/09/1985 ; en haut, la vitesse verticale de l'ionosphère mesurée à Francourville vers 150 km d'altitude. Le décalage en temps entre les deux signaux est dû au temps de propagation de l'onde acoustique depuis le sol jusque dans l'ionosphère.