Effets des entrées énergétiques sur les composés azotés dans la haute atmosphère de la Terre

par Anne Vialatte

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilues

Sous la direction de Mathieu Barthelemy.

Soutenue le 09-10-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Erik Kerstel.

Le jury était composé de Marius Echim, Angélica Sicard.

Les rapporteurs étaient Sébastien Payan, Vincent Nathanaël Génot.


  • Résumé

    La météorologie de l’espace est un domaine dédié à l’étude de l’impact des variations de l’activité solaire sur l’environnement spatial de la Terre. Celles-ci peuvent avoir des conséquences importantes sur les technologies humaines, comme les réseaux de lignes haute-tension ou les systèmes de télécommunication par satellites. Ces mêmes variations sont également à l’origine des aurores, phénomènes observés dans la haute atmosphère de la Terre au niveau des pôles, au pied des lignes de champ magnétique. Elles vont pouvoir nous servir de traceur dans l’étude des particules so- laires piégées dans l’environnement spatial de notre planète.Les émissions aurorales, complexes, de part leur étalement et différen- ciation en altitude et de leur diversité spectrale, restent un challenge ob- servationnel.Les émissions atomiques aurorales sont bien documentées, mais ce n’est pas toujours le cas des émissions moléculaires, qui sont pourtant une source d’information potentielle sur les précipitations énergétiques prove- nant de la magnétosphère. C’est dans ce contexte que se place la définition de la mission du nanosatellite ATISE (Auroral Thermospheric and Ionosphe- ric Spectrometer Experiment), développé au Centre Spatial Universitaire de Grenoble. Il aura pour but l’observation de la haute atmosphère terrestre via l’acquisition de spectres dans le proche UV et le visible.Le diazote N2 et son ion N2+ font partie des composés majoritaires de l’atmosphère, et sont donc un choix cohérent afin de définir l’observabilité des émissions moléculaires. Le monoxyde d’azote NO est une espèce mino- ritaire dans la thermosphère, mais va avoir un rôle clé dans la destruction d’ozone stratosphérique, et donc dans la problématique du dérèglement climatique.Les émissions de ces composés, et notamment leurs profils verticaux ainsi que intensités ont été étudiées grâce au modèle TRANS, qui résout l’équation de Boltzmann pour le transport d’électrons. Ceci nous a aidé à caractériser les besoins scientifiques de la mission ATISE. Dans un second temps, l’analyse des résultats du démonstrateur-sol de ce nanosatellite a montré le potentiel de cette mission, bien que certaines spécifications ne soient pas encore atteintes. Enfin, toujours dans cette logique de recherche de nouvelles quantités observables pour la météorologie de l’espace, une dernière partie abordera la polarisation de la lumière aurorale, avec l’étude de la bande à 427,8 nm de N2+ .

  • Titre traduit

    Energetic inputs effects on nitrogen compounds in Earth's upper atmosphere


  • Résumé

    Space weather is the study of the Solar activity’s impact on Earth’s space environment. This is relevant as it may have serious consequences over modern technology, such as high-voltage power lines grids or telecommu- nication systems via satellites. Solar activity is also the phenomenon that causes the aurorae, which can be seen in Earth’s upper atmosphere, at the poles, at the base of magnetic field lines. Due to this aurorae may be used as a proxy for the study of Solar particles trapped in Earth’s magnetic field.Auroral emissions are complex, as they are spread over various altitudes and wide spectral ranges. Therefore, they remain an observational chal- lenge.Emissions from atomic lines transitions in aurorae are well documented and understood, but this is not always the case for molecular emissions. These are a potential source of information on energetic inputs from the magnetosphere. This is the context in which the ATISE (Auroral Thermo- spheric and Ionospheric Spectrometer Experiment) nanosatellite was designed in the Grenoble University Space Center. Its purpose will be to observe Earth’s upper atmosphere through the acquisition of spectra in near-UV and visible domains.Dinitrogen N2 and its ion N2+ are major components of Earth’s atmos- phere at larges altitudes, and therefore a logical choice in order to define molecular emission observability. On the other hand, nitrogen monoxide NO is a minor component in the thermosphere, but has a key role in stra- tospheric ozone destruction, and therefore has important consequences on the climate.Auroral emissions, and more particularly their vertical profiles and in- tensities were studied with the TRANS model, which solves the Boltzmann equation for electron transport in the atmosphere. We used these results to define the scientific requisites for the ATISE mission. In a second phase, we tested and analyzed the results of a ground demonstrator of the instru- mentation that will be found in the nanosatellite. It showed great potential, despite the fact that part of the specifications are not yet fulfilled. Finally, still looking for new observables quantities for space weather, we studied the polarisation of auroral light, with a focus on the 427,8 nm band of N2+.


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