Titre de la thèse
Impact des éruptions solaires sur la région D de l’ionosphère : surveillance et modélisation.
Composition du jury
- Vincent Coudé du Foresto (Astronome, LIRA) : Président
- Elvira Astafyeva (Directrice de recherche, IPGP) : Rapportrice
- Jean-Pierre Raulin (Professeur, Mackenzie Presbyterian University) – Rapporteur
- David Themens (Professeur Associé, University of Birmingham) : Examinateur
- Vincent Fabbro (Ingénieur de recherche, ONERA) : Examinateur
- Angélique Woelfflé (Coordinatrice pour la DGA) : Examinateur
- Edmund Henley (Physicien pour le Met Office) : Examinateur
- Carine Briand (Astronome, LIRA) : Directrice de thèse
Résumé
Les éruptions solaires sont des évènements éruptifs, qui accélèrent les particules et qui émettent du rayonnement énergétique. Cette source additionnelle d’ionisation augmente la densité électronique de l’ionosphère, et en particulier de sa plus basse couche, la région D (60 - 90 km). Cela accroît l’absorption des ondes haute fréquence (HF, 3 - 30 MHz), une bande de fréquence utilisée pour les communications transhorizon. Ainsi, la surveillance de la région D est nécessaire, pour alerter en cas de perturbation et limiter les risques.
Les satellites et les ballons ne sont pas adaptés pour cela, à cause de l’altitude de la région D. À la place, la propagation d’ondes très basse fréquence (VLF, 3 - 30 kHz) offre un aperçu en continu de la densité électronique de cette région. Les mesures VLF sont comparées aux résultats d’un modèle de propagation, tel le Longwave Mode Propagator. Si l’on suppose que la conductivité des sols est parfaitement connue, la densité électronique sur le chemin de propagation des ondes peut être reconstruite en minimisant l’écart entre les mesures VLF et les résultats du modèle pour diverses conditions ionosphériques. Toutefois, nous avons démontré l’importance cruciale d’une connaissance approfondie de la conductivité des sols, tant en termes d’amplitude que de résolution spatiale, pour reconstruire avec précision les profils de densité électronique dans la région D. Ceci est particulièrement vrai dans les régions de faible conductivité, comme les hautes latitudes ou les chaînes de montagnes.
Le comportement de la région D peut aussi être modélisé avec divers schémas de chimie. Nous avons développé un code, le Lower Ionosphere — Absorption and Chemistry Modelling (LIR-ACheM) pour modéliser la région D. Puisque ce modèle inclut spécifiquement l’ionisation par les rayons X durs et mous, il est particulièrement adapté à l’étude de la réponse de la région D aux éruptions solaires. LIR-ACheM inclut sept espèces majeures dans la région D, au travers du schéma de Mitra-Rowe, offrant ainsi un compromis entre une représentation correcte de cette région et un coût numérique faible. Le forçage extérieur comprend les EUV et les rayons X. Ce modèle permet d’étudier l’influence de l’angle zénithal solaire, la latitude et longitude, et les variations saisonnières.
Avec LIR-ACheM, nous avons montré que le délai du pic de densité électronique par rapport au pic du flux de rayons X, et son temps de récupération étaient contrôlés par les réactions de détachement à basse altitude et l’ionisation par les rayons X mous à haute altitude. Deux flares M1 similaires se produisant le même jour sont présentés dans une étude de cas. Ils ont un impact différent sur la région D. Nous montrons que ceci est dû aux variations d’angle zénithal solaire, et [NO] à plus haute altitude.
Les ondes VLF sont aussi de bons détecteurs d’éruptions solaires en temps réel. Nous avons développé un nouvel outil, vlf4ions, depuis les données VLF mesurées à Nançay (Sologne, France), avec un récepteur AWESOME. Cet outil permet de détecter les éruptions solaires à partir des changements de pentes de la phase des ondes VLF, et d’estimer le flux de rayons X mous associé en combinant les informations provenant des mesures de phase de plusieurs transmetteurs. Il fonctionne indépendamment des données satellites. Des cartes représentant la densité électronique sur différents chemins de propagation orientés selon les directions nord-sud et est-ouest sont générées chaque minute, et des alertes peuvent être envoyées à divers utilisateurs, comme services de météorologie de l’espace. Ces travaux représentent une avancée vers un service d’alertes plus robuste en cas d’évènements de météorologie de l’espace.
