VLF For Ionospheric Studies (VLF4IONS)

Caractériser la réponse temporelle de l’ionosphère à un forçage solaire, estimer l’impact des phénomènes électriques au-dessus de cellules orageuses sur la couche-D ionosphérique, produire des alertes en temps (quasi)réel lors d’éruption solaire, estimer leur impact en terme d’absorption HF : voici les objectifs principaux de ce projet en météorologie de l’espace.

La couche-D ionosphérique (située entre 60 et 90 km) est également appelée « ignosphère », indiquant le niveau de connaissance de cette couche atmosphérique. Le rayonnement solaire UV Lyman-α contrôle est à l’origine de la formation de la couche D. Son contenu électronique suit donc un cycle journalier, mais aussi le cycle saisonnier du flux solaire UV. En plus de ces variations sur de longues périodes, la densité électronique de la couche D est soumise à un forçage beaucoup plus rapide, comme les tempêtes géomagnétiques et les éruptions solaires (heures) ou les éclairs et les événements transitoires liés aux zones orageuses (secondes ou moins).

Le contenu électronique de la couche D contrôle l’absorption de certaines ondes radio et relie l’atmosphère neutre à la magnétosphère et aux ceintures de radiation. Les perturbations de la densité électronique de la couche D peuvent entraîner une absorption des communications HF, une menace désormais identifiée par l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI). Le projet se concentrera sur deux risques naturels : les éruptions solaires, car elles produisent le plus fort forçage de la couche D, ainsi que les éclairs et les phénomènes électriques au-dessus des zones orageuses, car leurs impact sur la couche D restent encore à étudier en détails. Le maximum du cycle solaire est prévu en 2025(±1 an), entraînant une augmentation significative du forçage solaire dans les quelques années à venir. Par ailleurs, le changement climatique semble provoquer des orages plus violents. Connaître les détails du couplage entre les zones orageuses et l’ionosphère est donc crucial.

Forçage solaire

Les éruptions solaires sont des phénomènes éruptifs générant une augmentation des rayonnements énergétiques de plusieurs ordres de grandeur en quelques minutes.

Après la phase impulsive, l’émission reste bien au-dessus du niveau de repos pendant plusieurs heures. Le nombre d’éruptions suit le cycle solaire de 11 ans, étant plus nombreux autour du maximum solaire. Ce rayonnement énergétique augmente l’ionisation de la couche D d’un à deux ordres de grandeur. Le taux d’ionisation augmente avec l’intensité de l’éruption, mais la question des niveaux de saturation pour les éruptions les plus intenses fait encore débat. Les rayonnements EUV et X jouent un rôle important dans l’ionisation, avec une réponse ionosphérique retardée. Identifier les paramètres contrôlant l’évolution temporelle de la couche D, du forçage à la phase de retour à l’équilibre, ainsi qu’estimer la réponse de l’ionosphère restent des défis. Une autre question cruciale est l’estimation de l’étendue spatiale du pic de perturbation (critique pour l’aviation civile). Pour répondre à ces questions, nous avons besoin de mesures continues sur Terre pour enregistrer de nombreux événements solaires, donc de nombreuses conditions de forçage, et d’une couverture spatiale étendue pour modéliser l’ionosphère terrestre mondiale (notamment au-dessus des océans).

Les zones orageuses

Les phénomènes électriques au-dessus des zones orageuses induisent des précipitations d’électrons soit par ionisation directe de la couche D par les hautes tensions et le chauffage induits par la foudre, soit par le couplage entre les ondes radio générées par la foudre et les électrons des ceintures de radiation. Des précipitations d’électrons liées aux orages ont été identifiées dans les années 70. Depuis, les études se sont concentrées sur les mécanismes qui lient les éclairs et les perturbations électroniques dans la basse ionosphère, la détermination de l’extension spatiale de ces perturbations et la dynamique des mécanismes. Cependant, un tel couplage entre la foudre et la basse ionosphère n’est pas systématique. Quels paramètres critiques des éclairs et des orages entraînent des effets notables sur la couche D ? Quelle est l’étendue spatiale de la précipitation électronique induite ? Telles sont les questions actuellement débattues. Plus récemment, l’observation à la fin des années 80 d’événements lumineux transitoires (TLE, comme les Sprites, les Elfes et les jets géants) au-dessus des zones orageuses a renforcé l’intérêt pour les études sur les relations entre les orages et la basse ionosphère. Les phénomènes et leurs conséquences temporelles sur la couche D sont encore flous. Les principales contraintes à la compréhension de ces TLE proviennent du manque d’observation systématique pour identifier les causes de leur déclenchements. Ces événements sont imprévisibles et nécessitent une surveillance continue. Jusqu’à présent, les études se sont appuyées sur des cas individuels. Nous avons absolument besoin d’une approche statistique, ce qui nécessite l’observation de nombreux événements. Il est aussi nécessaire de comprendre l’état stationnaire de l’ionosphère pour détecter les perturbations induites par différentes sources, ce qui nécessite également un ensemble de données continues et à long terme.

Méthode de mesure

La couche D est trop haute pour les ballons, trop basse pour les satellites et pas assez ionisée pour les radars. Elle est donc inaccessible aux mesures in situ en continu (quelques mesures ont été réalisées par des fusées mais sur des périodes très courtes). La technique la plus employée pour étudier la couche D consiste à mesurer les émissions VLF, d’origine anthropique ou naturelle. Les modes VLF se propagent dans le guide d’ondes formé par la Terre et l’ionosphère, avec une perte réduite ( 2 dB/Mm), se propageant ainsi sur de très longues distances. Une augmentation de la densité électronique modifie les modes : l’amplitude et la phase des ondes sont alors affectées, ce qui permet de détecter efficacement, en temps réel, les variations de la densité électronique. Les signatures des éruptions solaires dans les VLF sont connues depuis les années 50, tandis que les perturbations VLF sont associées aux éclairs depuis les années 70.

Le Projet VLF4IONS

Le projet vise à comprendre la réponse de la couche D ionosphérique après forçage par les éruptions solaires et les cellules orageuses. Il comprend un volet instrumental de construction d’un réseau de récepteur VLF équatorial et sub-tropical pour surveiller l’activité solaire 24/365 et capter un maximum de phénomènes au-dessus des cellules orageuses. Un tel réseau permettra de :

• Fournir une estimation (quasi) en temps réel des perturbations ionosphériques dues aux éruptions solaires,
• Aborder de nombreuses questions liées à la réponse ionosphérique à l’éruption solaire : Comment l’évolution du temps d’apparition et d’ionisation dépend-elle du profil de temps de forçage ? Quels paramètres contrôlent la relaxation de l’ionosphère ? Comment prévoir ce temps de récupération ? Comment les perturbations de la densité électronique se propagent-elles selon les latitudes ? Les transitions nuit-lever/coucher du soleil ne sont pas équivalentes et dépendent fortement de la saison. Quels paramètres contrôlent l’ionisation de la couche D pour expliquer ces différences journalières et saisonnières ? Comment la composition modale de la propagation est-elle affectée par les contraintes géographiques ou diurnes ?
• Étudier l’impact des TLE au-dessus des zones orageuses : à quelle fréquence les TLE se produisent-ils et comment se couplent-ils avec l’ionosphère ? Quels sont les paramètres ionosphériques qui favorisent leur développement ? Les TLE perturbent-ils également les couches ionosphériques les plus élevées ? Quel est l’impact des flashs gamma terrestres (TGF) sur l’ionosphère, dont les sources sont connues pour produire des elfes sur l’ionosphère ?

Notre réseau apportera un nouvel instrument français (et européens) pour la Météoroloie de l’espace, en complément de plusieurs autres infrastructures dédiées à l’ionosphère (SuperDarn pour les régions polaires), aux particules énergétiques solaires (moniteurs de neutrons) et aux éruptions solaires (radiotélescopes de Nançay et télescope optique THEMIS opérant à Tenerife). Rappelons que la France appartient au consortium ACFJ de Météorologie de l’espace pour l’OACI. Notre projet s’inscrit donc dans une recherche sur la relation Soleil-Terre et la Météo Spatiale (risques naturels), à visée sociétale. Certains auteurs affirment que les mesures VLF peuvent également détecter l’impact des éruptions volcaniques et du séisme sur l’ionosphère. Nous n’étudierons pas ces aspects, mais les données seront disponibles pour les chercheurs (INSU) intéressés.

L’instrument

Nous avons choisi l’instrument AWESOME, développé par le Georgia Institute of Technology. Il fournit :

1. des formes d’onde à large bande (1 à 450 kHz) à 100 kHz avec une précision de synchronisation absolue de 20ns
2. des profils temporels à bande étroite (amplitude et phase) autour de plusieurs fréquences d’émetteur VLF.
   Les mesures sont effectuées simultanément dans les directions (géomagnétiques) nord-sud et est-ouest. Les profils temporels à bande étroite sont utilisés pour étudier l’impact du Soleil sur l’ionosphère pendant la journée ainsi que les impacts de la foudre et des TLE pendant la nuit. Les formes d’ondes à 100kHz permettent de caractériser les éclairs d’orage.

Résultats

• Mai 2024 : Mise en route de l’instrument à La Réunion
• Septembre 2024 : Etude de sites en Polynésie
• Exemples d’observations en bande étroite
• Influence de la conductivité des sols sur la propagation des ondes VLF (Article summary

Collaborateurs

Les scientifiques français

1. Carine Briand (LESIA, Astronome) - Projet Lead
2. Pauline Teysseyre (LESIA, PhD)
3. Sébastien Célestin (LPC2E, Professeur)
4. Germain Dang Kien (TelecomParisTech, Maitre de Conférence)
5. Baptiste Cecconi (LESIA, Astronome)
6. Hassan Ghalila (Univ. Vinci, Professor)

Les scientifiques étrangers :

• Morris Cohen, Georgia Univ. (USA)
• Robert Marshall, Boulder (USA)
• Mark Clilverd, British Antarctic Survey (UK)
• Ahmed Ammar (Tunisie)