Crédit :CNRS
Sprite, elfes, jets… peu de gens savent que les scientifiques utilisent habituellement de tels mots d'un autre monde pour décrire des événements lumineux transitoires ou des TLE, éclairs lumineux qui se produisent lors d'orages actifs à quelques dizaines de kilomètres au-dessus de nos têtes. Peu de gens savent également que les tempêtes peuvent agir comme des accélérateurs de particules générant de très brèves rafales de rayons X et de rayons gamma. Mais quels sont les processus physiques et les mécanismes à l'origine de ces phénomènes découverts il y a à peine 30 ans ? Ont-ils un impact sur la physique et la chimie de la haute atmosphère, l'environnement ou même les humains ? Telles sont les questions du satellite français Taranis qui s'envolera dans la nuit du 16 au 17 novembre au sommet d'un lanceur Vega depuis le Centre Spatial Guyanais, une mission entièrement française impliquant des chercheurs du CNES, le centre national de la recherche scientifique CNRS, le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives CEA et plusieurs universités françaises.
Les TLE et les flashs gamma terrestres (TGF) sont observés partout dans le monde où les tempêtes se produisent. Mais parce que nous n'en savons pas assez sur eux, ils ne figurent pas dans la boîte à outils des climatologues et des météorologues. Sont-ils impliqués dans le nombre croissant d'événements météorologiques extrêmes ? Si c'est le cas, ils pourraient être modélisés et pris en compte dans les prévisions en temps réel. Si Taranis est avant tout un satellite de recherche fondamentale, les données qu'il est censé fournir sur les mécanismes thermiques et climatiques de la Terre pourraient servir à des applications plus opérationnelles telles que la climatologie et les prévisions météorologiques.
Elfes, lutins, halos de sprite, les jets bleus et même les lutins ou les gnomes ne sont que quelques-uns des noms fantaisistes donnés à la gamme de phénomènes de la famille générique des TLE - un lexique poétique qui contraste fortement avec leur violence. Ces événements éphémères dans la haute atmosphère se produisent entre le sommet des nuages orageux et une altitude de 90 kilomètres. Prédit pour la première fois dès 1920, leur existence n'a été confirmée que dans les années 90. Ils ont depuis été enregistrés par de nombreuses observations terrestres et spatiales. Les elfes prennent la forme d'une lueur de lumière en expansion, apparaissant à une altitude de 90 kilomètres et ne durant pas plus d'une milliseconde; une tempête active peut en produire des milliers en l'espace de quelques heures. Situé entre 40 et 90 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, les sprites ont une structure complexe de branches et de vrilles et peuvent durer jusqu'à 10 millisecondes. Des jets bleus apparaissent au sommet des nuages orageux et se propagent à des altitudes allant jusqu'à 50 kilomètres. Parfois, les jets « gigantesques » peuvent se propager jusqu'à 90 kilomètres.
Les TGF ont été observés scientifiquement pour la première fois en 1994 par le Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO), un vaisseau spatial de la NASA déployé depuis la navette spatiale américaine Atlantis. Dans certaines conditions, les tempêtes génèrent une très courte rafale de photons gamma. Les TGF ont été pendant un certain temps considérés comme un événement rare accompagnant les sprites; nous savons maintenant qu'ils sont générés par l'activité électrique dans les nuages. Faute d'instruments adaptés, le satellite italien AGILE (2007) et le télescope spatial américain Fermi (2008) n'ont pas été en mesure de confirmer pleinement les hypothèses actuelles sur les mécanismes qui les génèrent ou d'estimer leur nombre. Taranis apportera donc de nouveaux éclairages sur la manière dont ils sont générés et leur impact radiologique, qui n'a jamais été mesuré auparavant.
En France, le CEA s'est intéressé pour la première fois à ces événements transitoires et à leur impact en 1993. Le 9 décembre 2010, le projet a obtenu le feu vert officiel du conseil d'administration du CNES. Taranis est une mission entièrement française avec des objectifs scientifiques fixés par des laboratoires de recherche français. Outre le CEA, Le CNRS est fortement impliqué au travers de plusieurs de ses laboratoires de recherche affiliés1 :le laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace du LPC2E coordonne le développement de la charge utile scientifique, est responsable du centre de mission scientifique et contribue aux instruments ; l'institut de recherche en astrophysique et planétologie IRAP, les ambiances LATMOS, le laboratoire d'observation des environnements et de l'espace et le laboratoire d'astroparticules et de cosmologie d'APC contribuent à la charge utile.
Illustration des TARANIS. Crédit :CNES/ill./SATTLER Oliver, 2012
D'autres instruments sur Taranis comprennent des contributions extérieures de l'Université de Stanford et du Goddard Space Flight Center (GSFC) aux États-Unis, l'Institut de physique atmosphérique (IAP) et l'Université Charles en République tchèque et le Centre de recherche spatiale de l'Académie polonaise des sciences (CBK).
Taranis a l'air quelque peu différent, comme à la place de l'isolant Mylar aluminisé ou plaqué or traditionnellement utilisé sur les satellites, il est recouvert d'une peinture spéciale noir et blanc. Ce n'est pas seulement une attention aux détails esthétiques, le but de la peinture étant d'éviter d'interférer avec le champ électrique environnant et d'éviter que la lumière réfléchie ne perturbe les capteurs optiques. Une caractéristique moins visible mais clé est la conception originale de sa charge utile, comprenant huit instruments exploités comme une seule unité grâce à MEXIC, le cerveau de Taranis qui alimente et synchronise les instruments et gère la charge utile, exécute la stratégie de déclenchement pour capturer un événement et gère même le transfert des données sélectionnées vers la mémoire de masse.
Gros plan sur la charge utile de Taranis :
For two to four years, Taranis will scan regions of the sky where storm activity is intense and the probability of seeing TLEs and/or TGFs high. While it may be a national program, its results are eagerly awaited by the wider international scientific community. In atmospheric chemistry and physics, environmental science, climatology, high-energy astrophysics and many more fields besides, Taranis is set to reveal new insights—and science efforts won't end there, as the mission will undoubtedly pave the way for future investigations.
