Haute atmosphère et ionosphère polaires

 

La France a une longue tradition de recherche scientifique dans le domaine de la haute atmosphère et de sa composante ionisée, l’ionosphère. L’étude de ces couches en régions polaires donne accès à la physique aurorale et plus généralement aux couplages entre le vent solaire, la magnétosphère, l’ionosphère et l’atmosphère.

 

A partir des années 80, la France s’est fortement impliquée dans le projet EISCAT (European Incoherent SCATter) de radars à diffusion incohérente. Le système de radar comprenait initialement un système tristatique (un volume atmosphérique étant « vu » de 3 directions différentes, cela offre la possibilité d’accéder à des grandeurs vectorielles : vitesse, champ électrique) toujours unique au monde émettant dans le domaine UHF (931 MHz) et un radar émettant dans le domaine VHF (224MHz). Ces radars EISCAT, initialement conçus pour étudier les zones aurorales, ont été installé légèrement au nord du cercle polaire en Scandinavie : à Tromsø en Norvège, Kiruna en Suède et Sodankylä en Finlande. A la fin des années 90, l’association EISCAT s’est pourvue de deux nouveaux radars (EISCAT Svalbard Radar, ESR) sur l’île du Spitzberg, nous donnant ainsi accès aux très hautes latitudes. Il fut dès lors possible d’observer l’entrée directe du vent solaire dans l’atmosphère.

 

A peu près au même moment, le CETP de Saint Maur les Fossés (devenu LPP) et le LPCE d’Orléans prenaient en charge un radar à diffusion cohérente SuperDARN (Super Dual Auroral Radar Network) en Islande. Si ce radar ne visait pas à proprement parler la région arctique, il faisait partie d’un vaste réseau de radars dont les champs de vue combinés couvrent la quasi-totalité de la zone arctique.

Tous ces radars venaient complémenter une station aurorale optique près de Longyearbyen au Spitzberg. Cette station qui souffrait de sa proximité des lumières de la ville a été remplacée en 2008 par une station plus moderne et reculée, le KHO (Kjell Henriksen Observatory). Cette station est utilisée par l’équipe de l’IPAG pour observer la polarisation des raies d’émissions aurorales. Nos collègues norvégiens et japonais y ont aussi des instruments (caméras plein ciel, photomètres) dont nous utilisons occasionnellement les données.

Le LPP développe de son côté des instruments de mesures du champ magnétique et de particules (électrons, ions) qui sont embarqués sur des sondes magnétosphériques, sur des satellites d’altitude basse (qui évoluent dans l’ionosphère donc) et sur des fusées de sondage ionosphérique. Dans cette dernière catégorie, notre communauté participe à la charge utile de la série de fusée norvégienne ICI (Investigation of Cusp Irregularities) lancées depuis Ny Ålesund, aussi sur l’archipel du Svalbard. Nous assurons par ailleurs le support sol en mettant en commun des heures d’observations ESR. Le lancement d’ICI 4^ème du nom est prévu pendant l’hiver 2013-2014.

Parallèlement aux activités instrumentales et observationnelles, nous avons développé un ensemble de modèles numériques fluides et cinétiques qui permettent de modéliser l’ionosphère polaire ainsi que ses couplages avec la magnétosphère et l’atmosphère neutre. Parmi eux TRANSCAR occupe une place de choix car il peut intégrer les mesures des radars SuperDARN et les mesures satellitaires ou fusées en paramètres d’entrée pour modéliser les paramètres ionosphériques, ces mêmes paramètres mesurés par les radars EISCAT.

 

 

 

La communauté française travaille actuellement - avec l’appui indispensable des instruments cités plus haut -, sur les thèmes suivants, thèmes qui impliquent quasiment tous des collaborations et engagements internationaux.

Les ondes ULF 

 

Les lignes du champ géomagnétiques vibrent selon des modes et des fréquences (de l’ordre du mHz dans le domaine ultra basses fréquences) connus. Il a été observé dans les années 1990-2000 que ces pulsations géomagnétiques interagissent fortement avec l’ionosphère polaire. En effet, sous l’effet de ces ondes, les électrons ionosphériques chauffent, tout comme les ions ionosphériques. Une particularité : le déphasage observé entre chauffages électronique et ionique. Afin de mieux comprendre ces interactions, nous menons en parallèle :

-          des expériences actives pendant lesquelles nous modifions artificiellement l’ionosphère avec l’installation SPEAR au Svalbard afin de générer des ondes basses fréquences et de les observer, tant par les radars que par des satellites. Une collaboration active avec l’Université du Svalbard (UNIS) est en cours.

-          des travaux de modélisation avec le modèle ionosphérique TRANSCAR. Les premiers résultats sont très prometteurs dans le sens où ils reproduisent les déphasages observés entre chauffage des électrons et des ions dans l’ionosphère.

La polarisation aurorale

En 2008, l’équipe Hautes Atmosphères Planétaires de l’ex-LPG (maintenant IPAG) découvrait la polarisation du rayonnement rouge auroral avec un instrument de sa conception (SPP). Les mesures indiquaient une direction de polarisation s’abaissant vers 0˚ lors d’un évènement intense. Cette polarisation n’était présente que lorsque l’instrument pointait vers le Nord magnétique, configuration dans laquelle l’angle entre la ligne de visée et la ligne de champ était le plus proche de 90˚. L’existence de cette polarisation a été confirmée par des mesures sur la base polaire polonaise située à Hornsund dans le Sud de l’archipel du Svalbard. Il a été possible enfin, grâce à des travaux de physique théorique, de calculer la polarisation absolue. Les radars EISCAT nous servent à caractériser le milieu pendant nos observations de polarisation ; nous pourrons ainsi mieux cerner le phénomène et nous en servir comme paramètre observationnel pour mieux décrire les interactions thermosphère-ionosphère.

Chauffage et l’échappement des ions 

 

Nous collaborons nos collègues japonais du NIPR et de l’agence spatiale JAXA sur l’échappement d’ions dans l’ionosphère polaire diurne. Nous avons étudié de manière systématique les conjonctions entre les radars EISCAT et le satellite nippon REIMEI dans les années 2007-2008 (année polaire internationale) alors que les radars EISCAT au Svalbard (ESR) et REIMEI acquerraient des données 24h/24. Des conjonctions intéressantes, qui parfois ont suscité des études annexes sur de tout autres sujets, font l’objet de simulations ionosphériques pour comprendre les causes d’échappement. En particulier, nous comparons les propriétés des échappements causés par une élévation de température électronique dans l’ionosphère et de ceux causés par une élévation de température ionique.

 

Nous sommes engagés dans le programme Investigation of Cusp Irregularities (ICI) de fusées norvégiennes. Cette série de fusées a pour objectif l’étude des petites échelles dans le cornet polaire, zone d’entrée directe du plasma du vent solaire dans la magnétosphère et l’ionosphère. La prochaine fenêtre de tir, cet hiver 2013-2014, verra décoller la quatrième fusée de la série ICI. Sur sollicitation norvégienne, nous avons été directement impliqué en mettant en commun des heures d’observations EISCAT et en assurant le support sol depuis le tir d’ICI-3 en 2011. Comme déjà mentionné, de l’instrumentation française fait partie de la charge utile des fusées avec un magnétomètre  (sur ICI-3 et ICI-4) et un détecteur de particules (sur ICI-4) conçus par le LPP. L’analyse des données des fusées ICI-2 et ICI-3 est en cours, avec notamment de notre part un volet modélisation ionosphérique qui a pour but de déterminer les conditions de déclenchement d’instabilités, en particulier de Kelvin-Helmholtz entre deux régions d’écoulements opposés.

 

Les courants alignés aux lignes de champ magnétique qui circulent entre l’ionosphère des hautes latitudes et la magnétosphère constituent un moyen de couplage efficace entre ces deux régions. L’étude de ces courants va connaître un regain d’intérêt avec le lancement prochain des satellites Swarm. A l’origine développés pour observer et étudier le champ géomagnétique interne de la Terre, les satellites ont à bord toute l’instrumentation nécessaire à l’étude du milieu ionosphérique, tant pour l’observation des champs que des particules. De plus, leur formation de vol (deux satellites volant côte-à-côte à latitude constante et un volant à une latitude différente mais à longitude voisine) les rendra particulièrement adaptés à la détermination des intensités des courants alignés, notamment par la méthode dite du curlomètre (permettant de calculer le rotationnel du champ magnétique). Les conjonctions entre Swarm et EISCAT sont particulièrement attendues pour étudier en détails les effets thermodynamiques de ces courants dans l’ionosphère. Après de nombreux retards, le lancement de Swarm est prévu en novembre 2013.

 

 

La Chine, dernier état à avoir rejoint l’association scientifique EISCAT, s’est proposée de financer la construction d’une troisième antenne au Svalbard. Cela constituerait, tout comme en Scandinavie, un système tristatique à très haute latitude et nous pourrons alors faire des mesures de grandeurs vectorielles (champ électrique, vitesse) du milieu ionosphérique polaire et étudier plus finement les interactions vent solaire-magnétosphère-ionosphère-atmosphère. Le début des travaux est prévu en 2014.