Recherche

En matière de météorologie de l’espace, les activités (au LESIA et au LPP) se déclinent selon 4 axes :

les développements d’instruments sol observant dans les domaines radio et optiques, et d’instrument spatiaux travaillant dans le domaine des basses fréquences radio ;
L’observation et la surveillance du Soleil ainsi que la distribution des données ;
La modélisation et la simulation numérique des éruptions solaires et des instabilités plasmas dans le milieu interplanétaire ;
L’analyse du couplage vent solaire-magnétosphère.

1- Instrumentation

Qu’elle soit au sol ou ou embarquée sur des sondes spatiales, de l’instrumentation nécessaire à la Météorologie de l’Espace est développé tant au LESIA qu’au LPP. Côté sol, des instruments radio sont installés sur le site de l’observatoire de Nançay (Sologne) et des moniteurs à neutrons dans les Terres Australes et Antarctiques Françaises (gérés par l’Institut Polaire Français IPEV). Du point de vue spatial, le LESIA est spécialisé dans la mesure des champs électriques basses fréquences (0.1kHz - 16MHz), tandis que le LPP développe des instrumentations pour la mesure des champs magnétiques et des particules.

Depuis l’été 2018, des mesures du rayonnement ionisant à l’altitude des vols commerciaux sont menées par les chercheurs du LESIA. Ces mesures viennent compléter les données des moniteurs à neutrons.

2 - Observation et diffusion de données

Détermination de l’orientation de l’axe des nuages magnétiques - P. Démoulin et al.

Lorsqu’un nuage magnétique impacte notre planète, il impacte fréquemment les conditions physiques de l’environnement terrestre et peuvent être responsables des orages géomagnétiques les plus intenses. Leur géo-efficacité est liée aux propriétés physiques de la structure magnétique formée avant et pendant la phase d’initiation solaire, ainsi qu’aux processus de propagation du Soleil à la Terre.

Les mesures in situ permettent d’avoir une vision précise mais très locale de la physique présente dans les nuages magnétiques. Un objectif est de remonter à des grandeurs physiques globales (par exemple le flux et l’hélicité magnétique transportés par les nuages) et de faire un lien quantitatif avec la source solaire (où ces grandeurs sont calculées par d’autres méthodes). Un élément clé pour arriver à ce but est la détermination de l’orientation du tube de flux [...].

Etude statistique de la modification des nuages magnétiques à la traversée du choc d’étrave terrestre - D. Fontaine / L. Turc

Les nuages magnétiques représentent une classe d’éjections de masse coronale décrites comme des cordes de flux avec un fort champ magnétique. Une de leur particularité est leur forte géoeffectivité, c’est-à-dire leur capacité à déclencher de forts orages magnétiques lors de leur interaction avec l’environnement terrestre. Cependant les raisons de cette forte géoeffectivité ne sont pas très bien comprises.

Des travaux précédents ont montré que l’interaction des nuages magnétiques avec le choc d’étrave en amont de l’environnement terrestre était susceptible de modifier la configuration magnétique du nuage magnétique (Turc et al., 2014a). Nous avions effectivement observé des cas de renversement au passage du choc de la composante Nord Sud du champ magnétique qui joue un rôle primordial dans la geoeffectivité des nuages (Turc et al., 2014b).

Pour évaluer l’importance de cet effet, Lucile Turc a constitué une base de nuages magnétiques observés en aval du choc le long de l’orbite de différentes missions spatiales (Cluster, Themis, MMS, Double Star, …). Sa visite au LPP a permis de progresser dans l’analyse statistique. Nous avons montré que ces renversements peuvent affecter une large portion ( 22%) de la surface de la magnétopause, frontière de la magnétosphère, et sur des périodes de temps significatives. De plus, lors de ces événements, la distribution du cisaillement magnétique à la surface de la magnétopause, qui est à l’origine de l’activité géomagnétique, ne dépend pas de l’orientation du champ magnétique interplanétaire. Ce résultat a des conséquences importantes sur la géoeffectivité des nuages magnétiques.

Le travail entamé lors de la visite de Lucile Turc a été continué pendant les six mois suivants et une publication vient d’être soumise.

3 - Modélisation : résultats récents

Etude du déclenchement des éruptions solaires - F. Zuccarello

Un des principaux mécanismes supposé déclencher les éruptions solaires, les perturbations principales en météorologie de l’espace, est une instabilité magneto-hydrodynamique (MHD) idéale, nommé l’instabilité de tore. En analysant une série de simulations numériques MHD 3D paramétriques, inspirées par les observations, d’une région active bipolaire asymétrique, Zuccarello et al. 2015 ont montré que l’altitude critique pour le déclenchement de l’instabilité de tore n’est pas affectée de manière sensible, ni par l’évolution pré-éruptive du champ magnétique photosphérique de la région active, ni par les caractéristiques de la structure magnétique (le tube de flux magnétique torsadé, lignes de champ magnétique noires sur la Figure). Cela suggère que le seuil de déclenchement de l’instabilité pourrait être utilisé comme critère de prédiction des éruptions solaires dans des services appliqués de météorologie de l’espace.


Déclenchement des éruptions solaires: Figure 1. Panneaux supérieurs : Model MHD de Zuccarello et al. 2015, montrant le tube de flux magnétique (ligne de champ noir) situé à proximité de l’altitude critique (signalé par le plan violet) du déclenchement de l’instabilité de tore. Alors que la configuration à gauche est encore stable, celle de droite, pour laquelle le tube de flux est au-dessus de l’altitude seuil, est instable et entraine une éruption solaire. Panneaux inférieurs : Filament solaire observé (droite) avec le satellite TRACE (NASA) et le lien entre filament et tube de flux magnétique torsadé selon Zuccarello et al 2016 (gauche).

De plus, Zuccarello et al. 2016 ont montré comment il était possible de faire le lien entre le résultat théorique précédent, mettant en jeu le tube de flux magnétique, structure non-directement observable, avec les propriétés des protubérances/filaments solaires, qui sont, elles, bien observables.

Améliorer la prédiction des éruptions solaires - C. Guennou/E. Pariat

Les mécanismes physiques à l’origine du déclenchement des éruptions solaires, principaux acteurs des perturbations de l’environnement spatial de la Terre, sont à l’heure actuelle mal compris. Il n’existe pas encore de critères observables, i.e. variation d’une ou plusieurs quantité physiques, capables de prédire efficacement leur occurrence. Les méthodes de prédictions actuelles reposent très majoritairement sur des méthodes empiriques, comparant la variation de paramètres magnétiques avec l’activité solaire passée. Si la pertinence de ces paramètres observables a été testée majoritairement sur des observations, très peu d’études se concentrent sur les simulations numériques d’éruptions, en dépit des fortes avancées récentes.

Dans le cadre du projet Européen H2020 FLARECAST et du projet ANR HéliSol, des chercheurs du pôle solaire du LESIA ont testé des paramètres pouvant être utilisés pour la prédiction opérationnelle à partir de simulations numériques paramétriques 3D MHD d’émergence du champ magnétique développé au Naval Research Laboratory (USA, Leake et al. 2013, 2014). Ces simulations conduisent à la formation de régions actives stables où éruptives en fonction d’un seul paramètre (Voir Figure 1).
L’étude de Guennou et al. (2017) se concentre sur les signatures éruptives mesurable à partir de carte 2D du champ magnétique, et donc détectable directement à partir de véritable données d’observations. Cette étude montre que les paramètres liés à la ligne d’inversion magnétique, i.e. quand le champ magnétique vertical change de signe, présente une forte augmentation détectable avant l’éruption, moyennant un traitement des données rigoureux. La mesure de ces quantités est ainsi sur le point d’être intégré au projet FLARECAST, faisant suite à l’atelier organisé à l’Observatoire de Paris dans le cadre d’ESTERS.

Le travail de Pariat et al. (2017) se concentre sur l’analyse des propriétés 3D du champ magnétique, et donc sans visées applicatives directes. Si les variations de l’énergie et du flux magnétique ne permettent pas de détecter l’éruption, l’hélicité magnétique, qui mesure le taux de torsion et d’entortillement des lignes de champ magnétique, présente, elle, un fort potentiel prédictif. Ces résultats sont très prometteurs pour l’amélioration de la prédiction des éruptions solaires, fournissant de nouveaux proxy permettant de discriminer les régions actives éruptives des non-éruptives.


Améliorer la prédiction des éruptions solaires: Haut : Vues 3D du champ magnétique du tube de flux émergent (orange) depuis la couche interne du Soleil jusqu’à la couronne, et du champ externe (cyan). Les configurations stable (gauche) et éruptive (droite) sont toutes deux représentées. Bas : Variations temporelle du courant intégré le long de la ligne d’inversion magnétique WLsc (Guennou et al. 2017) et d’un proxy basé sur l’hélicité magnétique (Pariat et al. 2017) Les simulations éruptives (couleurs chaudes) présentent des valeurs significativement plus élevées que les simulations stables (couleurs froides) avant l’éruption (à t 120).

Ateliers

De multiples ateliers autour des différents axes de météorologie de l’espace se sont tenu grâce au soutien d’ESTERS :

Dans le cadre des activités autour de l’ionosphère, nous organisons un atelier international sur l’étude de l’ionosphère à partir des ondes basses fréquences. Cet atelier s’est tenu à Meudon le 26 Avril 2018 ;
Comment se préparer pour la prochaine tempête solaire importante ? Des scientifiques et des utilisateurs préparent le futur système de prévision des éruptions solaires ... en savoir plus sur cet atelier ;
Un nouvel atelier avec des chercheurs de Météo France ainsi que des océanographes du CERFACS, des géophysiciens du BDL, et des chercheurs de l’Observatoire de Paris, s’est tenu en Novembre 2016, sur le thème de l’assimilation de données ;
Une discussion sur le futur des observations sol pour la météorologie de l’espace s’est tenue à Nice en Octobre 2016, atelier co-organisée par ESTERS ;
Un atelier s’est déroulé à Meudon en Avril 2016 pour définir de critères d’éruptivité pour les algorithmes de prédictions des éruptions solaires ;
Colloque autour de l’utilisation des nano-satellites pour la météorologie de l’espace(Grenoble, 11-12 Juin 2015) ;
Atelier avec Météo France pour échanger sur les méthodes de prévision ("Meteorology : from atmosphere to space" Meudon, 18-19 Juin 2015).

Références

Turc, L., Fontaine, D., Savoini, P., and Kilpua, E. K. J., Ann. Geophys., 32, 157–173, 2014a

Turc, L., D. Fontaine, P. Savoini, and E. K. J. Kilpua, Ann. Geophys., 32, 1247–1261, 2014b

F. P. Zuccarello, G. Aulanier, and S. A. Gilchrist, ApJ 814, 126, 2015

F. P. Zuccarello, G. Aulanier, and S. A. Gilchrist, ApJL 821, L23, 2016