LESIA - Observatoire de Paris

Orages de Type III : les apports de ISEE-3

Carine Briand — 2014-09-09T14:19:45Z

Introduction

Le soleil émet plusieurs émissions intenses entre 10kHz - 100MHz. On distingue les émissions liées à la propagation d'ondes de choc dans le milieu interplanétaire (dîtes émissions de Type II), celles liées aux éruptions solaires (appelées sursauts de Type III), et des orages de Type III. Les deux premiers types d'émissions sont relativement brèves (quelques heures) alors que les orages peuvent durer plusieurs jours. La figure 1 illustre les trois types d'émission.


Les émissions radio solaires: Figure 1 : Illustration des trois émissions radio typiques observées dans le milieu interplanétaire. Surligné en bleu, un sursaut de Type III, en rouge une émission de Type II et en vert un orage de Type III. Dans la partie haute de l'image, les observations proviennent de la sonde STEREO-A, dans la partie basse de STEREO-B.
Crédits : STEREO/WAVES

Les émissions de Type II et III sont donc liées à des phénomènes transitoires sur le soleil (des éruptions et/ou des éjections de masse coronale). La durée des orages de Type III suggère plutôt une origine liée à des structures plus stables. Dès les années 70, la relation entre ces émissions et la propagation d'électrons le long de lignes ouvertes de champ magnétique issues des régions actives était établie. L'étude des orages de Type III contribue ainsi à notre compréhension des relations entre le vent solaire et les structures solaires.

Les orages de Type III ont été tout d'abord étudiés à partir d'observation radio au sol. Ces travaux restaient donc concentrées sur une zone proche du soleil. Or, ces émissions sont aussi visibles jusqu'à environ 100 kHz, indiquant une propagation d'électrons jusqu'à 0.8 U.A. Si les instruments sol permettent d'étudier l'origine des orages en observant dans la couronne solaire, les sondes spatiales, en accédant aux basses fréquences, renseignent sur leurs caractéristiques dans le milieu interplanétaire. ISEE-3 a apporté une contribution majeure dans les études liées aux orages de Type III grâce à sa capacité de localisation du centre des émissions et d'obtenir ainsi une cartographie 3D des sources.

Voici les principaux résultats de ces travaux dont les références sont cités en bas de page.

I - Les caractéristiques

Les orages de type III ont été découverts par des observations du satellite RAE-1 (satellite de la NASA lancé en 1968). Les orages de Type III sont constitués de milliers de sursauts de Type III. Jusqu'à 360 sursauts par heure ont été enregistrés. Individuellement, ces sursauts sont limités en fréquence et sont de faible intensité. La durée d'un orage est de plusieurs jours, voire plusieurs semaines. Le centre des émissions décroit en fréquence avec le temps.

Situé à 240 R_T devant la Terre, ISEE-3 a observé les émissions radio en continu pendant 4 ans autour du maximum solaire et a ainsi mis en évidence près de 100 périodes d'orage. Les études se concentrent cependant sur l'enveloppe globale des émissions (et non sur les structures fines que constituent les sursauts individuels). Pour cela, des moyennes sur 30 minutes sont réalisées (ce qui présente aussi l'avantage de supprimer des émissions liées à des sursauts d'activité du soleil, indépendant des orages).

Même si certaines émissions peuvent durer près de 10 jours, la durée moyenne de visibilité des orages est de 5.4 jours (Fig.2). Cette durée relativement courte peut paraitre surprenante dans l'hypothèse où ces émissions sont liées aux régions actives solaires qui mettent près de deux semaines à traverser le disque solaire. Elle s'explique en fait par une directivité importante des émissions et non par une durée intrinsèque du phénomène. Des études récentes à partir d'observations conjuguées des deux sondes STEREO et de WIND ont confirmé la longue durée de vie de ces orages (Briand et al. AGU 2011). De plus, le maximum d'activité (i.e. le nombre de sursauts par heure) est observé autour du passage au méridien central solaire des régions actives.


Statistique sur la durée des orages: Figure 2 : Histogramme de la durée (en jours) des orages observés entre la mi-août 1978 et juin 1982 par ISEE-3, à 513kHz ( 215 rayons solaire).
Crédit : Bougeret et al. 1984a

En combinant les données des deux antennes dipolaires, il est possible de retrouver l'azimut et l'élévation des émissions à chaque fréquence. Comme la fréquence indique la distance héliocentrique, une cartographie 3D de la propagation des électrons dans le milieu interplanétaire est obtenue. Grâce à cette technique de localisation des sources, les observations de ISEE-3 ont fourni les premières preuves directes sur l'origine des orages : la position des émissions (à une fréquence donnée) suit l'évolution attendue en longitude d'une région active en co-rotation avec le soleil (Fig. 3).


Passage au Méridien Central: Fig3 : Evolution de la longitude des émissions radio au cours du temps pour différentes fréquences. CMP signifie : Passage au méridien central. Les pentes plus élevées autour de la longitude centrale vers les plus basses fréquences reflètent des sources plus proches de l'observateur (qui voit alors la source passer plus vite devant lui).
Crédits : Bougeret et al. 1984a

La faible dispersion des points autour du passage au méridien central indique que les électrons suivent une trajectoire bien définie, caractéristique de chaque orage. Cependant, l'exemple présenté en Figure 3 est un peu exceptionnel : d'autres observations suggèrent l'existence de multiples sources. Dans le catalogue dressé des orages de Type III observés pendant 4 ans, Kayser et al. indique le degré de complexité des orages.

Par ailleurs, la pente de la variation de l'élongation centrale de la source autour du passage au méridien centrale solaire permet de déduire la distance au soleil de la source (en supposant une rotation rigide de l'ensemble et un état stationnaire). Enfin, comme on peut s'en convaincre à partir de la figure 3, le passage au méridien central se produit plus tôt pour les hautes que pour les basses fréquences. Ceci traduit simplement l'éloignement des sources au soleil. De la position successive des sources on peut déduire leur trajectoire (Figure 4) qui se révèle être très proche d'une spirale d'Archimède décrivant la position des lignes de champ magnétique ouvertes.


Trajectoire des sources radio: Figure 4 : Trajectoire d'un orage de Type III déduit des observations radio de ISEE-3 entre le 31 mai et le 5 juin 1979. Les points sont les observations, la courbe noire est une d'Archimède décrivant la position d'une ligne de champ magnétique ouverte issue de la région active et pour une vitesse de vent solaire de 270 km.s-1.
Crédits : Bougeret et al ; 1984b

Enfin, la densité du milieu est déduite des émissions, supposées être à l'harmonique de la fréquence plasma (pour être compatible avec des mesures in situ effectuées par les sondes Helios). La dépendance de la densité avec la distance héliocentrique est plus grande que celle attendue pour une expansion radiale du vent solaire (Fig. 5). La source des orages est une zone plus dense que le vent solaire ambiant et dont la densité décroît plus vite que R^-2.


Densité électronique: Figure 5 : Variation de la densité électronique en fonction de la distance, densité déduite des fréquences observées en supposant une émission à l'harmonique de la fréquence plasma. On notera que la loi de décroissance est en exposant -3.01 de la distance.
Crédit : Kayser et al. 1988

II - Le modèle

Le modèle proposé pour expliquer les orages de type III est le suivant. La source globale des orages est une extension des plumes coronales, situées au-dessus des régions actives, dans le milieu interplanétaire. Ces structures sont advectées par le vent solaire et sont le siège d'accélération d'électrons. Ces électrons s'échappent en suivant les lignes de champ magnétiques ouvertes vers le milieu interplanétaire. Ce surcroit de particules supra-thermiques déstabilise localement le plasma et produit des émissions similaire aux sursauts de Type III mais de plus faible intensité. L'étroitesse des émissions individuelles suggère également une dispersion en vitesse des faisceaux d'électrons limitée.

Conclusions

Grâce à sa possibilité de localisation 3D du centre des sources radio, ISEE-3 a permis de faire un grand pas en avant dans la compréhension des orages de Type III. Le modèle proposé pour expliquer ces émissions est, trente ans plus tard, toujours d'actualité. Cette technique de localisation des sources a été largement mises au point grâce aux donnéesISEE-3 puis réutilisées avec WIND et a servi de réflexion pour être adaptées pour la mission STEREO, composé de sondes stabilisées trois axes.

Un catalogue des caractéristiques de 108 orages observés par ISEE-3 entre Septembre 1978 et Octobre 1982 a été dressé. En particulier, pour environ un tiers de ces orages, les paramètres des trajectoires ont aussi pu être déterminées.

Références

Bougeret J.L., Fainberg J., & Stone R.G., 1984a, 'Interplanetary radio storms. I. Extension of solar active regions through the interplanetary medium", A&A, 136, 255-262
Bougeret J.L., Fainberg J., & Stone R.G., 1984b, 'Interplanetary radio storms. II. Emission levels and solar wind speed in the range 0.05-0.8 A.U.", A&A, 141, 17-24
Kayser S. E., Bougeret J.L., Fainberg J., Stones R.G., 1987, ‘Comparisons of Interplanetary Type III Storm footprints with solar features », Solar Phys, 109, 107-118
Kayser S. E., Bougeret J.L., Fainberg J., Stones R.G., 1988, ‘a catalog of interplanetary type III storms », A&A Supp. Series, 73, 243-253

Des mesures uniques dans la queue d'une comète

Baptiste Cecconi, Nicole Meyer — 2014-06-16T08:27:06Z

ISEE3/ICE a été la première sonde spatiale à explorer une comète, et la seule à ce jour à explorer une queue de plasma cométaire. Les sondes Giotto, Vega, Suisei et Sakigake, qui ont survolé la comète de Halley en 1986, sont passées entre le soleil et la comète, et Rosetta, qui a rejoint la comète 67 P/Churyumov-Gerasimenko en mai 2014, n'explorera pas sa queue.

La sonde ISEE-3 (lancée en Août 1978), initialement dédiée à la surveillance du vent solaire en avant de la Terre, fut renommée ICE (International Cometary Explorer) lorsque la NASA modifia sa trajectoire pour l'envoyer vers la comète Giacobini-Zinner. Cette comète de courte période (6,5 ans) et périgée 1.03 UA (150 millions de km), doit son nom à M. Giacobini, qui la découvrit en 1900 à Nice, et à E. Zinner, qui la "redécouvrit" en 1913. Les poussières qu'elle éjecte sont à l'origine des pluies d'étoiles filantes dites "Draconides" qui se produisent début Octobre, lorsque la Terre passe à proximité de l'orbite de la comète, et sont souvent spectaculaires.

La rencontre avec la comète Giacobini-Zinner a eu lieu le 11 Septembre 1985 avec un passage à 7800km du noyau. Le magnétomètre (Smith et al. 1986) a confirmé le concept de repliement des lignes de champs magnétique proposé par Alfvén (Fig. 1), guidant une queue de plasma froid et dense. L'instrument radio, conçu, testé et fabriqué à l'Observatoire de Meudon (en collaboration avec la NASA/GSFC) était le plus sensible existant à l'époque. Sa qualité exceptionnelle a permis de mesurer la densité et la température des électrons, en utilisant une technique développée à l'Observatoire : la spectroscopie du bruit thermique (Fig. 2).


Fig.1. Survol de la comète Giacobini-Zinner par ISEE3/ICE: La comète Giacobini-Zinner vue depuis la Terre (CFHT), en fausses couleurs. Le champ magnétique mesuré par la sonde ISEE3/ICE est tracé le long de sa trajectoire, montrant clairement le changement de direction du champ magnétique dans la queue. Crédits : Smith et al. 1986


Fig. 2. Mesure des Electrons par Spectroscopie du Bruit Thermique: Les données de l'instrument radio de la sonde ICE ont permis de mesurer les caractéristiques des électrons dans la queue de la comète Giacobini-Zinner. De gauche à droite : image de la sonde ISEE3/ICE avec les antennes de l'instrument radio ; spectres radio montrant une raie à la fréquence de plasma f_p (directement reliée à la densité du plasma autour de l'antenne) ; densité et température du plasma déduits de l'analyse des spectres mesurés.

La possibilité que les impacts de poussières (à la vitesse de 21 km/s) endommagent les cellules photoélectriques avait conduit à déconnecter plusieurs instruments pour économiser la puissance. Mais la concentration de poussières s'est révélée beaucoup plus faible que prévu, et la sonde a émergé indemne, y compris les antennes électriques.

Une grande partie des résultats obtenus lors du survol de la comète Giacobini-Zinner par ISEE3/ICE sont disponibles dans les publications suivantes :

un numéro spécial de la revue Science (ISSN 0036-8075), vol. 232, April 18, 1986,
une série de numéros des Geophysical Research Letters (ISSN 0094-8276), vol. 13, March 1986.
certains articles ont été réédités dans l'ouvrage Comet Encounters qui est une compilation des articles publiés au Journal of Geophysical Research et dans les Geophysical Research Letters. Il est édité par Thomas J. Birmingham et Alexander J. Dessler. American Geophysical Union, Washington, DC. 1998.

3D Radio Mapping sur ISEE3/ICE

Baptiste Cecconi — 2014-06-16T08:26:52Z

La Mission ISEE3/ICE

La mission ISEE3 (International Sun/Earth Explorer 3) est une mission NASA d'étude des relations Soleil-Terre, lancée le 12 août 1978. C'est une sonde spatiale tournante qui emporte une série d'instruments pour l'étude du Soleil et du milieu interplanétaire. Elle est placée en orbite autour du point de Lagrange L1 de la Terre.


Trajectoire de ISEE3-ICE: Trajectoire de la sonde ISEE3-ICE tout au long de sa mission (1978-1999).

A la fin de sa mission nominale, en 1983, la NASA a décidé d'envoyer la sonde vers la comète Giacobini-Zinner, afin d'observer, pour la première fois et in-situ, le plasma dans la queue d'une comète. La mission est alors renommée ICE (International Cometary Explorer) et placée en orbite héliocentrique. Elle traversera la queue de la comète Giacobini-Zinner en 1985. La sonde a ensuite observé la comète de Halley en 1986. La mission est restée active jusqu'en 1999. Cependant la NASA n'a pas éteint la sonde lors de la fin de la mission et a prévu son retour aux alentours de la Terre en 2014. Sa porteuse a en effet été détectée en mai 2014 par une équipe qui tente d'en reprendre le contrôle.

L'instrument 3D Radio Mapping

Cet instrument, initialement destiné à étudier la trajectoire des électrons éjectés du soleil lors des éruptions et émettant des sursauts radio de type III, a été proposé par Jean-Louis Steinberg et Pierre Couturier (DESPA), et Robert Stone (GSFC) au début des années 1970. Il a été conçu et réalisé au DESPA (maintenant LESIA) en collaboration avec le laboratoire GSFC de la NASA.

Le récepteur est composé de 4 récepteurs multicanaux, à réponse logarithmique d'une dynamique de mesure de 70 dB développés au DESPA (maintenant LESIA). Il est connecté à un dipôle tournant de 2 x 45 m dans le plan de rotation de la sonde, et un dipole axial de 14 mètres (2 x 7 m).

Schéma des différentes expériences de la sonde ISEE3-ICE, dont les antennes de l'instrument radio "3D Radio Sources"

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Les mesures radio de l'instrument ont été archivées au CNES et à la NASA. Elles sont disponibles au CDPP, ainsi qu'au NSSDC. Les performances de l'instrument ont permis l'analyse in-situ du plasma par spectroscopie du bruit quasi-thermique vu par les antennes, technique reprise dans les expériences Ulysse, Wind, Cassini, et STEREO.

Résultats Marquants

L'instrument radio 3D-Radio-Sources est l'un des plus sensibles de tous les instruments radio basse fréquence lancés dans l'espace. Parmi tous les résultats et publications, nous pouvons mettre en avant les volets scientifiques :

Caractérisation complète des sursauts solaires hectométriques et kilométriques de type III et de leurs effets de propagation dans l'espace interplanétaire. En particulier des orages de sursauts de type III (série de sursauts émis quasi continuellement pendant plusieurs jours).
Cartographie du champ magnétique interplanétaire utilisant les sursauts solaires de type III comme traceurs.
Première identification de la raie radio "2f_p" produite par des électrons du vent solaire au voisinage du pré-choc de la Terre.
Première application de la spectroscopie du bruit thermique dans le vent solaire.
Première mesure in situ de la densité et de la température des électrons dans la queue de la comète Giacobini-Zinner.
Exploration radio de la magnétosphère terrestre. En particulier, découverte d'une nouvelle composante isotrope des émissions radio kilométriques terrestres (ITKR).

Personnels du LESIA impliqués sur ISEE3-ICE
Noms	Responsabilité
Equipe Technique
René Knoll	Chef de Projet
Gerard Huntzinger	Intégration
Gérard Epstein	Responsable Technique
Phan Van Duoc	Développement Préamplificateurs
Pierre Tilloles	Développement Chaines Récepteurs
Roger Hulin	Développement Convertisseurs d'alimentation
Gerard Nicol	Développement Système d'Etalonnage Interne
Soutien Administratif et Technique
Jacqueline Thouvay	Administration
Françoise Axisa	Secrétariat
Solange Amira	Secrétariat
Claude Perche	Informatique
Georges Goyon	Informatique
Yvonne Guillou	Câblage
Jean-Pierre Mengué	Câblage
Alain Rapin	Mécanique
Maurice Liepchitz	Mécanique
Cahn Xuan N'guyen	Bureau d'Etude
Equipe Scientifique
Jean-Louis Steinberg	Investigateur Principal
Pierre Couturier	Co-Investigateur
Sang Hoang	Co-Investigateur
Jean-Louis Bougeret	Analyse Scientifique
Catherine Lacombe	Analyse Scientifique
Nicole Meyer	Analyse Scientifique