Après près de deux décennies, le Soleil s'est couché pour l'expérience sur le rayonnement solaire et le climat de la NASA (SORCE), une mission qui a poursuivi et fait progresser le record de 40 ans de l'agence en matière de mesure de l'irradiance solaire et d'étude de son influence sur le climat de la Terre.

L'équipe SORCE a éteint le vaisseau spatial le 25 février, 2020, conclure 17 années de mesure du montant, spectre et fluctuations de l'énergie solaire entrant dans l'atmosphère terrestre, informations vitales pour comprendre le climat et le bilan énergétique de la planète. L'héritage de la mission est poursuivi par le capteur d'irradiance solaire totale et spectrale (TSIS-1), lancé vers la Station spatiale internationale en décembre 2017, et TSIS-2, qui sera lancé à bord de son propre vaisseau spatial en 2023.

Surveillance de la « batterie » de la Terre

Le Soleil est la principale source d'énergie de la Terre. L'énergie du Soleil, appelé rayonnement solaire, dirige le climat de la Terre, Température, conditions météorologiques, chimie atmosphérique, cycles océaniques, bilan énergétique et plus encore. Les scientifiques ont besoin de mesures précises de l'énergie solaire pour modéliser ces processus, et les avancées technologiques des instruments de SORCE ont permis des mesures d'irradiance solaire plus précises que les missions précédentes.

"Ces mesures sont importantes pour deux raisons, " dit Dong Wu, scientifique du projet SORCE et TSIS-1 au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Les climatologues ont besoin de savoir à quel point le Soleil varie, ils savent donc à quel point le changement climatique de la Terre est dû à la variation solaire. Deuxièmement, nous avons débattu pendant des années, le Soleil devient-il plus brillant ou plus sombre sur des centaines d'années ? Nous ne vivons que peu de temps, mais une tendance précise deviendra très importante. Si vous savez comment le Soleil varie et pouvez étendre cette connaissance dans le futur, vous pouvez ensuite intégrer l'apport solaire futur anticipé dans les modèles climatiques avec d'autres informations, comme les concentrations de gaz traces, pour estimer ce que sera notre futur climat."

Les quatre instruments de SORCE mesuraient l'irradiance solaire de deux manières complémentaires :totale et spectrale.

Ensoleillement total, ou STI, est la quantité totale d'énergie solaire qui atteint l'atmosphère extérieure de la Terre en un temps donné. Les taches solaires (zones sombres à la surface du Soleil) et les facules (zones éclairées) créent de minuscules variations de TSI qui se manifestent comme des changements mesurables dans le climat et les systèmes de la Terre. Depuis l'espace, SORCE et d'autres missions d'irradiation solaire mesurent le TSI sans interférence de l'atmosphère terrestre.

Les valeurs TSI de SORCE étaient légèrement mais significativement inférieures à celles mesurées par les missions précédentes. Ce n'était pas une erreur - son moniteur d'irradiance totale était dix fois plus précis que les instruments précédents. Cela a amélioré les entrées d'irradiance solaire dans les modèles climatiques et météorologiques de la Terre par rapport à ce qui était auparavant disponible.

"La grande surprise avec TSI était que la quantité d'éclairement qu'il mesurait était de 4,6 watts par mètre carré de moins que ce qui était prévu, " a déclaré Tom Woods, Chercheur principal de SORCE et associé de recherche principal au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de l'Université du Colorado à Boulder, Colorado. "Cela a déclenché toute une discussion scientifique et le développement d'un nouveau laboratoire d'étalonnage pour les instruments TSI. Il s'est avéré que le TIM était correct, et toutes les mesures d'irradiance passées étaient erronément élevées."

"Ce n'est pas souvent dans les études climatiques que vous faites un saut quantique dans la capacité de mesure, mais l'amélioration décuplée de la précision par le SORCE / TIM était exactement cela, " a déclaré Greg Kopp, Scientifique instrumentiste TIM pour SORCE et TSIS au LASP.

Les autres mesures de SORCE se sont concentrées sur l'irradiance solaire à résolution spectrale (SSI) :la variation de l'irradiance solaire avec la longueur d'onde à travers le spectre solaire, couvrant les principales régions de longueur d'onde importantes pour le climat de la Terre et la composition atmosphérique.

Outre l'arc-en-ciel de couleurs familier en lumière visible, l'énergie solaire contient également des longueurs d'onde ultraviolettes plus courtes et infrarouges plus longues, qui jouent tous deux un rôle important dans l'influence de l'atmosphère terrestre. Les couches atmosphériques et la surface de la Terre absorbent différentes longueurs d'onde d'énergie, par exemple, l'ozone atmosphérique absorbe les rayons ultraviolets nocifs, tandis que la vapeur d'eau atmosphérique et le dioxyde de carbone absorbent le rayonnement infrarouge de plus longue longueur d'onde, qui maintient la surface chaude. SORCE a été la première mission satellitaire à enregistrer un large spectre de SSI pendant une longue période, suivre des longueurs d'onde de 1 à 2400 nanomètres à travers ses trois instruments SSI.

« Pour la santé publique, la chimie de l'ozone et le rayonnement ultraviolet sont très importants, et la lumière visible est importante pour la modélisation du climat, " a déclaré Wu. "Nous devons connaître la variabilité solaire à différentes longueurs d'onde et comparer ces mesures avec nos modèles."

SORCE a observé le Soleil à travers deux minima solaires (périodes de faible activité des taches solaires), fournissant des informations précieuses sur la variabilité sur une période relativement courte de 11 ans. Mais un record plus long est nécessaire pour améliorer les prévisions à long terme, dit Wu.

Gagner du temps pour une mission de vieillissement

SORCE a été conçu à l'origine pour collecter des données pendant seulement cinq ans. L'extension de sa durée de vie à 17 nécessitait une ingénierie créative et ingénieuse, dit Eric Moyer, Directeur de mission SORCE à Goddard.

La batterie de SORCE a commencé à se dégrader au cours de sa huitième année d'exploitation, ne fournit plus suffisamment de puissance pour prendre en charge une collecte de données cohérente. Malheureusement, l'instrument de la NASA destiné à prendre ses mesures STI, Gloire, a été perdu peu après son lancement en 2011, et l'instrument suivant, la NOAA / U.S. Air Force Total Solar irradiance Calibration Transfer Experiment (TCTE), ne serait pas lancé avant 2013. Si SORCE ne pouvait plus fonctionner, le record d'irradiance solaire en cours pourrait être interrompu. Parce que le Soleil change très lentement - ses taches solaires et ses facules suivent un cycle de 11 ans, et certains changements s'étendent sur des décennies, voire des siècles, l'enregistrement continu est essentiel pour comprendre le comportement du Soleil.

L'équipe d'ingénierie est passée à la collecte de données solaires de jour uniquement, la mise hors tension des instruments et d'une partie de l'engin spatial pendant la partie nuit de l'orbite SORCE. Ce plan a effectivement permis au satellite de fonctionner sans batterie fonctionnelle, Woods a déclaré - une réalisation d'ingénierie révolutionnaire.

« Les équipes opérationnelles et scientifiques de nos organisations partenaires ont développé et mis en œuvre une toute nouvelle façon de mener cette mission lorsqu'elle est apparue comme terminée en raison d'une perte de capacité de la batterie, " a déclaré Moyer. LASP et Northrup Grumman Space Systems ont dirigé le développement d'un nouveau logiciel opérationnel afin de poursuivre la mission SORCE. " Le petit, équipe très dévouée a persévéré et a excellé face aux défis opérationnels. Je suis très fier de leur excellente réalisation et honoré d'avoir eu l'opportunité de participer à la gestion de la mission SORCE."

Poursuivre un héritage brillant

Alors que le temps de SORCE au Soleil se termine, Le record d'irradiance solaire de la NASA se poursuit avec TSIS-1. Les deux instruments de la mission mesurent le TSI et le SSI avec des instruments encore plus avancés qui s'appuient sur l'héritage de SORCE, dit Wu. Ils ont déjà permis des avancées comme l'établissement d'une nouvelle référence pour le Soleil "calme" alors qu'il n'y avait pas de taches solaires en 2019, et pour comparer cela aux observations SORCE du minimum du cycle solaire précédent en 2008.

Le lancement de TSIS-2 est prévu en 2023 avec des instruments identiques à TSIS-1. Son point de vue à bord de son propre vaisseau spatial lui donnera plus de flexibilité que la collecte de données de TSIS-1 à bord de l'ISS.

« Nous sommes impatients de poursuivre la science révolutionnaire inaugurée par SORCE, et au maintien de l'enregistrement des données d'irradiation solaire au cours de cette décennie et au-delà avec TSIS-1 et 2, " a déclaré Peter Pilewskie de LASP, chercheur principal pour les missions TSIS. « SORCE a établi la norme en matière de précision de mesure et de couverture spectrale, deux attributs de la mission qui ont été essentiels pour mieux comprendre le rôle du Soleil dans le système climatique. TSIS a apporté des améliorations supplémentaires qui devraient encore améliorer les études sur le climat solaire."

"Les mesures d'irradiance solaire sont très difficiles, et l'équipe SORCE a proposé une manière différente, une nouvelle technologie, pour les mesurer, " a déclaré Wu. " En utilisant une technologie de pointe pour faire progresser notre capacité scientifique, SORCE est un très bon exemple de l'esprit de la NASA."