Perturbations ionosphériques en lien avec l'activité solaire : surveillance et modélisation

par Srivani Inturi Srivani

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Carine Briand et de Baptiste Cecconi.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) , en partenariat avec LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Les mécanismes de déclenchement des éruptions solaires sont encore très mal compris rendant leur prévision à court et moyen terme encore relativement hasardeuse. Or, ces phénomènes éruptifs peuvent engendrer des détériorations d'infrastructures industrielles dans l'espace mais également sur Terre. Ces relations entre éruptions solaires et perturbations de l'environnement spatial de la Terre, en incluant les potentiels impacts sur les infrastructures humaines, sont étudiées dans le cadre de la météorologie de l'espace. La thèse proposée se place dans ce cadre. Plus précisément, je propose de concentrer l'étude sur les perturbations provoquées par les phénomènes éruptifs solaires sur les couches basses de l'ionosphère terrestre (couches D et E). Le projet présenté ci-dessous comprend deux volets : d'une part la mise en service d'un système de surveillance des fluctuations de l'ionosphère temps-réel avec diffusion d'alerte lors de début d'éruption détecté, puis une approche plus théorique pour quantifier les perturbations de densité électronique et finalement étudier les couplages entre les différentes couches ionosphériques. Lors d'éruptions solaires, les flux X et UV peuvent croitre de plusieurs ordres de grandeur. Ces rayonnements sont suffisamment énergétiques pour pénétrer profondément dans l'atmosphère terrestre et modifier le degré d'ionisation de l'ionosphère, même dans ces couches les plus basses. Or, la réflexion d'ondes (VLF à HF) est utilisée pour de nombreuses applications. Le domaine HF (3-30MHz) est utilisé pour les communications trans-horizon (militaire ou civil) ainsi que les communications pour l'aviation (en utilisant des réflexions sur les couches E et F). Le domaine VLF (3-30kHz) est, quant à lui, utilisé pour les communications sous-marines ou la diffusion de signaux horaire ainsi que les liaisons radio lors de certaines opérations de secours. Enfin, les irrégularités des densités électroniques notamment dans les couches les plus basses de l'ionosphère impliquent également la scintillation des signaux GNSS, avec perte possible de la phase et donc du signal lui-même. Une meilleure connaissance et surveillance des perturbations des couches basses ionosphériques sont donc nécessaires dans un cadre sociétal. Or, situées entre 50 et 150km d'altitude, les zones ionosphériques qui nous intéressent sont à la fois trop hautes pour les ballons sonde et trop basses pour les satellites : elles sont ainsi parmi les plus mal connues de notre environnement ! Un moyen d'étudier cette région est alors de mesurer des ondes (10-50kHz) qui se propagent dans le guide d'onde formé par la Terre et l'ionosphère. Les ondes autour de 30kHz produites par des émetteurs terrestres (signaux horaires et étalons de fréquences en autre) sont peu atténuées et peuvent ainsi se propager sur de grandes distances. Les propriétés de réfraction conduisant à leur propagation vers la Terre sont particulièrement sensibles à la conductivité de l'ionosphère, elle-même dépendant du degré d'ionisation des différentes couches. Ainsi les éruptions solaires se manifesteront par des fluctuations importantes du signal reçu. Un tel système est en fonctionnement quotidien depuis janvier 2017 à l'Observatoire de Meudon. A raison d'un point toutes les 5 secondes, il peut servir d'alerte pour signaler un début d'éruption. Il s'inscrit comme un des récepteurs d'un réseau européen, unique à ces latitudes, en cours de construction. Le travail proposé consistera dans un premier temps à réaliser une étude comparative des observations depuis les différentes stations « écoutées ». Il s'agira ainsi de comprendre l'impact des éruptions solaires en fonction de différents paramètres solaires et de la position sur Terre de la zone de réflexion. Cette étude sera basée sur des codes de tracé de rayons (LWPC Ferguson & Snyder 1990, et ARTEMIS-P, Gautier et al. 2013) et des observations sur réseau VLF. Elle permettra d'élaborer des critères pour mettre en place un système d'alerte de déclenchement des éruptions solaires basé sur les observations temps réel du moniteur. Un tel système pourra ainsi contribuer à des services en météorologie de l'espace internationaux (voir les priorités pour 2030 du COPUOS, organisme de l'ONU). Le deuxième volet de la thèse aura pour objectif d'étudier les relations entre les différentes couches ionosphériques, depuis la couche D jusqu'aux hautes couches de l'ionosphères (~600km). L'ionosphère est un système très dynamique. Les sources de perturbations proviennent des hautes couches atmosphériques (en particulier la précipitation d'électrons depuis les ceintures de radiation dans les zones aurorales) mais également des couches plus basses (ondes de gravité, marée, ondes acoustiques, vents). De nombreux travaux se concentrent autour des régions polaires. De notre côté nous nous intéresserons aux régions de moyennes et basses latitudes et aux échanges entre les couches inférieures et les couches supérieures (>300km), soit en terme d'excitation soit en terme de propagation de perturbations. Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration européenne qui se met en place pour étudier les couches basses ionosphériques et le développement d'un projet de nano-satellite (CIRCUS).

  • Titre traduit

    Ionospheric disturbances related to solar activity: monitoring and modeling


  • Résumé

    The mechanisms of triggering solar flares are still poorly understood, making a short and medium-term forecast still relatively hazardous. On the other hand, it is clear that these eruptive phenomena can cause deterioration of industrial infrastructures in space but also on the ground. These relationships between solar flares and perturbations of the Earth's space environment, including potential impacts on human infrastructures, are studied in the context of space weather. The proposed thesis is placed within this framework. More specifically, I propose to focus the study on the disturbances caused by solar eruptive phenomena on the lower layers of the terrestrial ionosphere (layers D and E). The project presented below includes two components: on the one hand the commissioning of a real-time ionosphere fluctuation monitoring system with alert diffusion at the onset of a detected eruption, then a more theoretical to quantify electronic density disturbances. During solar flares, X and UV fluxes can increase by several orders of magnitude. These radiations are energetic enough to penetrate deeply into the Earth's atmosphere and to modify the degree of ionization of the ionosphere, even in these lowest layers. However, wave reflection (VLF to HF) is used for many applications. The HF domain (3-30MHz) is used for trans-horizon communications (military or civilian) as well as aviation communications (using reflections on layers E and F). The VLF domain (3-30kHz) is used for submarine communications or time signal broadcasting as well as radio links during certain rescue operations. Finally, the irregularities of the electron densities especially in the lower layers of the ionosphere also involve the scintillation of the GNSS signals, with possible loss of the phase and therefore of the signal itself. Better knowledge and monitoring of the disturbances of the lower ionospheric layers are therefore necessary in a societal framework. However, located between 50 and 150km above sea level, the ionospheric zones we are interested in are both too high for probe balloons and too low for satellites: they are thus among the poorest known of our environment! One way to study this region is to measure waves (10-50kHz) that propagate in the waveguide formed by the Earth and the ionosphere. The waves around 30 kHz produced by terrestrial transmitters (time signals and frequency standards in other) are little attenuated and can thus spread over great distances. The refractive properties leading to their propagation towards the Earth are particularly sensitive to the conductivity of the ionosphere, which itself depends on the degree of ionization of the different layers. Thus the solar flares will manifest themselves by large fluctuations of the received signal. Such a system has been in daily operation since January 2017 at the Observatoire de Meudon. At the rate of one point every 5 seconds, it can serve as an alert to signal an eruption. It is one of the receivers of a European network, unique at these latitudes, being built. The proposed work will first consist of a comparative study of the observations from the various 'listened' stations. This will be to understand the impact of solar flares as a function of different solar parameters and the position on Earth of the reflection zone. This study will be based on ray tracing codes (LWPC Ferguson 1998, and ARTEMIS-P, Gautier et al., 2013) and VLF observations. It will develop criteria for setting up a solar flare trigger warning system based on the monitor's real-time observations. Such a system could thus contribute to international meteorological services (see UN COPUOS 2030 priorities). The second part of the thesis aims to study the relationships between the different ionospheric layers, from the D layer to the high layers of the ionosphere (~ 600km). The ionosphere is a very dynamic system. The sources of disturbance come from the atmospheric high layers (in particular the precipitation of electrons from the radiation belts in the auroral zones) but also from the lower layers (gravity waves, tide, acoustic waves, winds). Much work is concentrated around the polar regions. On our side we will be interested in the regions of medium and low latitudes. We will focus here on exchanges that may occur between the lower and upper layers (> 300km), either in terms of excitation or in terms of propagation of perturbations. This project is part of a European collaboration that is being set up to study the low ionospheric layers and the development of a nano-satellite project (CIRCUS).