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    Jour et nuit et vice-versa :l'ionosphère de la Terre pendant l'éclipse totale de Soleil

    Pendant l'éclipse totale de Soleil, la Lune éteindra la source de rayonnement ultraviolet extrême de l'ionosphère :l'ionosphère passera des conditions diurnes aux conditions nocturnes. Crédit :Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Katy Mersmann

    Le 21 août, 2017, la Lune va glisser devant le Soleil et pendant un bref instant, le jour se fondra dans une nuit sombre. Se déplacer à travers le pays, l'ombre de la Lune bloquera la lumière du Soleil, et si le temps le permet, ceux qui se trouvent sur le chemin de la totalité auront droit à une vue sur l'atmosphère extérieure du Soleil, appelé la couronne.

    Mais l'éclipse totale de Soleil aura aussi des effets imperceptibles, comme la perte soudaine du rayonnement ultraviolet extrême du Soleil, qui génère la couche ionisée de l'atmosphère terrestre, appelé l'ionosphère. Cette région en constante évolution se développe et se rétrécit en fonction des conditions solaires, et est au centre de plusieurs équipes scientifiques financées par la NASA qui utiliseront l'éclipse comme une expérience prête à l'emploi, courtoisie de la nature.

    La NASA profite de l'éclipse du 21 août en finançant 11 enquêtes scientifiques au sol à travers les États-Unis. Trois d'entre eux se tourneront vers l'ionosphère afin d'améliorer notre compréhension de la relation du Soleil avec cette région, où les satellites orbitent et les signaux radio sont réfléchis vers la Terre.

    "L'éclipse éteint la source de rayonnement à haute énergie de l'ionosphère, " a déclaré Bob Marshall, un scientifique de l'espace à l'Université du Colorado Boulder et chercheur principal pour l'une des études. "Sans rayonnement ionisant, l'ionosphère va se détendre, passer des conditions diurnes aux conditions nocturnes, puis de nouveau après l'éclipse."

    S'étendant d'environ 50 à 400 milles au-dessus de la surface de la Terre, l'ionosphère ténue est une couche électrifiée de l'atmosphère qui réagit aux changements de la Terre au-dessous et de l'espace au-dessus. De tels changements dans la basse atmosphère ou la météo spatiale peuvent se manifester par des perturbations dans l'ionosphère qui peuvent interférer avec les signaux de communication et de navigation.

    « De notre vivant, c'est la meilleure éclipse à voir, " a déclaré Greg Earle, ingénieur électricien et informatique chez Virginia Tech à Blacksburg, Virginie, qui dirige une autre des études. "Mais nous avons aussi un réseau de satellites plus dense, Trafic GPS et radio comme jamais auparavant. C'est la première fois que nous aurons une telle richesse d'informations pour étudier les effets de cette éclipse; nous allons nous noyer dans les données."

    L'ombre de la Lune affectera considérablement l'insolation - la quantité de lumière solaire atteignant le sol - pendant l'éclipse solaire totale. Crédit :Studio de visualisation scientifique de la NASA

    Il peut être délicat de définir la dynamique ionosphérique. « Par rapport à la lumière visible, la sortie ultraviolette extrême du Soleil est très variable, " a déclaré Phil Erickson, chercheur principal d'une troisième étude et scientifique de l'espace à l'observatoire Haystack du Massachusetts Institute of Technology à Westford, Massachusetts. "Cela crée une variabilité dans le temps ionosphérique. Parce que notre planète a un fort champ magnétique, les particules chargées sont également affectées le long des lignes de champ magnétique sur toute la planète - tout cela signifie que l'ionosphère est compliquée."

    Mais quand la totalité frappe le 21 août, les scientifiques sauront exactement combien de rayonnement solaire est bloqué, la zone de terre sur laquelle il est bloqué et pour combien de temps. Combiné avec des mesures de l'ionosphère pendant l'éclipse, ils auront des informations sur l'apport solaire et la réponse correspondante de l'ionosphère, leur permettant d'étudier mieux que jamais les mécanismes sous-jacents aux changements ionosphériques.

    Lier les trois études ensemble est l'utilisation de signaux de communication ou de navigation automatisés pour sonder le comportement de l'ionosphère pendant l'éclipse. Pendant les cycles jour-nuit typiques, la concentration de particules atmosphériques chargées, ou plasma, croît et décroît avec le Soleil.

    "En journée, le plasma ionosphérique est dense, " dit Earle. " Quand le soleil se couche, la production s'en va, les particules chargées se recombinent progressivement au cours de la nuit et la densité diminue. Pendant l'éclipse, nous nous attendons à ce processus dans un intervalle beaucoup plus court."

    Plus le plasma est dense, plus ces signaux sont susceptibles de heurter des particules chargées sur leur chemin de l'émetteur de signaux au récepteur. Ces interactions réfractent, ou plier, le chemin emprunté par les signaux. Dans la nuit artificielle induite par l'éclipse, les scientifiques s'attendent à des signaux plus forts, puisque l'atmosphère et l'ionosphère absorberont moins de l'énergie transmise.

    "Si nous installons un récepteur quelque part, les mesures à cet endroit fournissent des informations sur la partie de l'ionosphère entre l'émetteur et le récepteur, " a déclaré Marshall. "Nous utilisons les récepteurs pour surveiller la phase et l'amplitude du signal. Lorsque le signal oscille de haut en bas, qui est entièrement produit par les changements dans l'ionosphère."

    Une couche de particules chargées, appelé l'ionosphère, entoure la Terre, s'étendant d'environ 50 à 400 milles au-dessus de la surface de la planète. Crédit :Goddard Space Flight Center/Duberstein de la NASA

    En utilisant une gamme de différents signaux électromagnétiques, chacune des équipes enverra des signaux dans les deux sens à travers le chemin de la totalité. En surveillant la propagation de leurs signaux de l'émetteur au récepteur, ils peuvent cartographier les changements de densité ionosphérique. Les équipes utiliseront également ces techniques pour collecter des données avant et après l'éclipse, afin qu'ils puissent comparer la réponse d'éclipse bien définie au comportement de base de la région, leur permettant de discerner les effets liés à l'éclipse.

    Sonder l'ionosphère

    L'ionosphère est grossièrement divisée en trois régions d'altitude en fonction de la longueur d'onde du rayonnement solaire absorbé :le D, E et F, avec D étant la région la plus basse et F, le plus haut. En combinaison, les trois équipes expérimentales étudieront l'ensemble de l'ionosphère.

    Marshall et son équipe, de l'Université du Colorado Boulder, sondera la réponse de la région D à l'éclipse à très basse fréquence, ou VLF, signaux radio. C'est la partie la plus basse et la moins dense de l'ionosphère - et à cause de cela, le moins compris.

    "Juste parce que la densité est faible, ne veut pas dire que c'est sans importance, " a déclaré Marshall. " La région D a des implications pour les systèmes de communication activement utilisés par de nombreux militaires, opérations navales et d'ingénierie.

    L'équipe de Marshall tirera parti du réseau existant de puissants émetteurs VLF de la marine américaine pour examiner la réponse de la région D aux changements de production solaire. Transmissions par ondes radio envoyées depuis Lamoure, Dakota du nord, seront surveillés aux stations de réception à travers le chemin de l'éclipse à Boulder, Colorado, et le lac de l'Ours, Utah. Ils prévoient de combiner leurs données avec les observations de plusieurs missions spatiales, y compris le satellite environnemental opérationnel géostationnaire de la NOAA, Observatoire de dynamique solaire de la NASA et imageur spectroscopique solaire à haute énergie Ramaty de la NASA, caractériser l'effet du rayonnement solaire sur cette région particulière de l'ionosphère.

    Pendant les cycles jour-nuit typiques, l'ionosphère - représentée en violet et non à l'échelle sur cette image - croît et décroît avec le Soleil. L'éclipse solaire totale coupera la source de rayonnement ionisant de cette région. Crédit :Goddard Space Flight Center/Duberstein de la NASA

    Erickson et son équipe chercheront plus loin, aux régions E et F de l'ionosphère. En utilisant plus de 6, 000 capteurs GPS au sol ainsi que de puissants systèmes radar à l'observatoire Haystack du MIT et à l'observatoire Arecibo à Porto Rico, ainsi que des données de plusieurs missions spatiales de la NASA, l'équipe basée au MIT travaillera également avec des scientifiques de la radio citoyenne qui enverront des signaux radio sur de longues distances à travers le chemin.

    L'équipe scientifique du MIT utilisera ses données pour suivre les perturbations ionosphériques itinérantes - qui sont parfois responsables des conditions météorologiques spatiales dans la haute atmosphère - et leurs effets à grande échelle. Ces perturbations dans l'ionosphère sont souvent liées à un phénomène connu sous le nom d'ondes de gravité atmosphérique, qui peut aussi être déclenchée par des éclipses.

    "Nous pouvons même voir des effets à l'échelle mondiale, " a déclaré Erickson. "Le champ magnétique de la Terre est comme un fil qui relie deux hémisphères différents ensemble. Chaque fois que des variations électriques se produisent dans un hémisphère, ils apparaissent dans l'autre."

    Earle et son équipe basée à Virginia Tech se seront postés à travers le pays à Bend, Oregon; Holton, Kansas; et Shaw Air Force Base à Sumter, Caroline du Sud. En utilisant des instruments émetteurs-récepteurs de pointe appelés ionosondes, ils mesureront la hauteur et la densité de l'ionosphère, et combiner leurs mesures avec les données d'un réseau GPS à l'échelle nationale et les signaux du réseau radioamateur Reverse Beacon. L'équipe utilisera également les données des radars haute fréquence SuperDARN, dont deux se trouvent le long du chemin de l'éclipse dans la vallée de Noël, Oregon, et Hays, Kansas.

    "Nous regardons le bas de la région F, et comment cela change pendant l'éclipse, " a déclaré Earle. " C'est la partie de l'ionosphère où les changements dans la propagation du signal sont forts. " Leur travail pourrait un jour aider à atténuer les perturbations de la propagation du signal radio, qui peut affecter les diffusions AM, radioamateur et signaux GPS.

    Finalement, les scientifiques prévoient d'utiliser leurs données pour améliorer les modèles de dynamique ionosphérique. Avec ces ensembles de données sans précédent, ils espèrent mieux comprendre cette région déroutante.

    "D'autres ont étudié les éclipses au fil des ans, mais avec plus d'instrumentation, nous continuons à améliorer notre capacité à mesurer l'ionosphère, " a déclaré Erickson. "Cela révèle généralement des questions que nous n'avons jamais pensé à poser."


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