Météorologie de l'espace

Les effets de l’activité solaire sur les communications au sol et en vol. Sophie Murray bénéficie d’une Bourse doctorale AXA pour effectuer sa thèse au Département de Physique du Trinity College de Dublin (Irlande).

>  Pourriez-vous nous présenter les objectifs de votre projet de recherche ?

J’étudie la physique du Soleil, et plus spécifiquement les taches solaires et les éruptions solaires. Ma thèse a pour titre « Étude et analyse des topologies magnétiques complexes des régions solaires actives ». Elle a pour but de prédire plus finement les éruptions solaires par l’observation des champs magnétiques des taches solaires. À partir de données collectées par des satellites spécialisés dans l’observation du Soleil, j’étudie les fluctuations de champ magnétique qui précèdent les éruptions solaires, puis l’évolution de ces fluctuations sous l’action de l’éruption solaire. Il est essentiel d’étudier ces phénomènes de météorologie de l’espace, car ils ont un impact sur les communications et systèmes électroniques utilisés au sol et dans les satellites. 

> Qu’entendez-vous par « météorologie de l’espace » ? ­

La météorologie de l’espace décrit les interactions entre, d’une part, les champs magnétiques et les particules éjectées du Soleil et, d’autre part, la haute atmosphère et le champ magnétique de la Terre. Les particules solaires se déplacent sous la forme d’un « vent » qui circule dans le système solaire : lorsqu’il rencontre le champ magnétique terrestre, il est dévié de sa trajectoire et ses particules contournent la Terre plutôt que d’en bombarder l’atmosphère ou la surface.

Les phénomènes météorologiques spatiaux ont de nombreux effets autour de la Terre – dont les « aurores polaires » : lorsque les particules solaires parviennent à pénétrer l’atmosphère terrestre d’une région polaire, il se produit des interactions dont le résultat est une série de voiles colorés et scintillants sur fond de ciel nocturne.

Si l’activité solaire est plus prononcée, la fréquence des éruptions est supérieure à la normale, ce qui augmente le volume de particules et d’ondes radio en provenance du Soleil. Ce pic d’activité peut provoquer des orages géomagnétiques en cas de collision entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre.

Dans certains cas, ce regain d’activité peut entraîner d’importantes perturbations dans les systèmes de communication et les réseaux électriques des régions soumises à ces orages géomagnétiques. Il peut également faire apparaître des aurores boréales ou australes à des latitudes très faibles – jusqu’à l’équateur dans les cas les plus extrêmes.

 > Quels sont les effets de l’activité solaire sur les technologies terrestres (satellites, prévisions météo, GPS, etc.) ? 

 ­Les particules éjectées par les éruptions solaires peuvent perturber ou même endommager l’électronique et les logiciels des véhicules spatiaux et satellites. Par ailleurs, les orages géomagnétiques peuvent aveugler les capteurs et perturber les circuits électroniques. Il est donc nécessaire de prévoir un blindage et des protections appropriés : à cet égard, la recherche ne cesse d’améliorer les matériaux adoptés.

La propagation des signaux du système GPS et d’autres systèmes de navigation par satellite peut également être affectée, entraînant des perturbations dans les réseaux de diffusion radio, les réseaux de téléphonie mobile et les systèmes de navigation des flottes routières.

> Quel est l’impact de la météorologie de l’espace sur l’aviation et l’astronautique ? 

Lors des vols commerciaux transpolaires, les passagers et l’électronique de bord sont directement exposés à des niveaux élevés de rayonnement, qui augmentent en fonction de l’activité solaire. Une exposition prolongée et/ou trop fréquente au rayonnement solaire peut faire apparaître des pathologies : les équipages sont donc tenus de limiter la fréquence des vols effectués dans ces conditions. Par ailleurs, les communications radio entre pilotes et avec le sol peuvent être affectées, et en cas d’orage géomagnétique sévère le vol doit être dérouté. Une connaissance plus fine et plus précise de ces orages devrait permettre une meilleure sécurité pour les vols commerciaux exposés.

La vie des astronautes peut également être menacée par le rayonnement solaire intense auquel ils sont exposés et par le fait que leur engin spatial subit un bombardement continuel de particules solaires. Le bouclier thermique des engins spatiaux et la combinaison spatiale des astronautes doivent être pensés en conséquence. Pour garantir la sécurité et la santé des astronautes, il est impératif de prévoir des dispositifs spécialisés dans la surveillance de l’activité solaire.

 > Quels sont les effets de l’activité solaire sur les technologies terrestres (satellites, prévisions météo, GPS, etc.) ?

Pour réduire l’impact des phénomènes de la météorologie de l’espace sur nos technologies, il est impératif de développer une infrastructure public-privé dédiée à la prévision des niveaux d’activité solaire. Mais auparavant, les scientifiques doivent continuer à explorer les processus physiques de base de la météorologie de l’espace (par exemple, les champs magnétiques associés aux taches solaires) : en améliorant notre connaissance de ces phénomènes, nous serons en mesure de développer les modèles statistiques nécessaires à l’anticipation des éruptions solaires.

La précision actuelle des méthodes de prévision doit être augmentée pour permettre de prédire l’activité solaire en heures plutôt qu’en jours. Pour prédire cette météorologie avec la plus grande précision possible, les scientifiques doivent avoir accès à des données solaires aussi proches que possible du temps réel.

Sunspots are regions on the surface of the Sun that appear as dark spots and have very strong magnetic field. Solar flares are a very releases of large amounts of energy, which is stored in the solar atmosphere. The flares can hurtle towards Earth in the form of very energetic particles, X-rays, ultraviolet and radio emissions, amongst others.

Image 1 : Le terme « tache solaire » désigne les régions sombres de la surface solaire, qui présentent un champ magnétique très puissant. Une « éruption solaire » correspond à un dégagement rapide de vastes quantités d’énergie accumulées dans l’atmosphère solaire. Les éruptions solaires peuvent diriger un intense rayonnement vers la Terre (particules fortement chargées en énergie, rayons X, UV, ondes radio, etc.).

Image 2 : Suite d’images montrant l’influence du Soleil sur la Terre : en commençant par une éruption solaire sur le Soleil
à gauche, provoquant des changements dans l’atmosphère de la Terre au centre, conduisant à l’apparition de l’aurore en Alaska (partie droite de l’image). Crédit photo : NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio.

Sophie Murray bénéficie d’une Bourse doctorale AXA pour effectuer sa thèse au Département de Physique du Trinity College de Dublin (Irlande).

Pour en savoir plus sur ce projet financé par le Fonds AXA pour la Recherche