Perturbations ionosphériques liées aux orages atmosphériques

Avec la sélection du micro-satellite TARANIS comme future mission dans laquelle la communauté ionosphérique française est engagée, les données recueillies par DEMETER ont été examinées sous un angle nouveau. En effet, DEMETER enregistre les émissions électromagnétiques dues aux éclairs atmosphériques dans toutes ses gammes de fréquence. Des papiers sont actuellement en préparation pour montrer la signature HF de certains éclairs puissants (voir Figures 25 et 26) ce qui n'avait pas été mis en évidence jusqu'à maintenant. La Figure 27 montre les lieux où ont été observés ces événements HF et donne une explication sur leurs occurrences spatiales. Personne n'avait aussi détecté les émissions en V qui sont observées quand DEMETER passe au dessus d'orages isolés et très intenses (voir Figure 28). La Figure 29 montre une modélisation de ces émissions en entonnoir.

Enfin la comparaison simultanée des spectrogrammes TBF où l'on voit la signature des éclairs atmosphériques avec les données du détecteur de particules IDP a permis de mettre en évidence la précipitation des particules contenues dans les ceintures de radiation par les ondes qui sont émises par les éclairs et qui se propagent d'un hémisphère à l'autre le long des lignes de force du champ magnétique (Inan et al., 2007). Un exemple de ces perturbations des particules est montré dans la Figure 30.

Figure 25 : Spectrogrammes enregistrés par Demeter le 18 Février 2006 pendant 2 minutes. Haut: composante électrique dans la gamme HF jusqu'à 3 MHz. Milieu: la même composante dans la gamme TBF jusqu'à 20 kHz. Bas: une composante magnétique jusqu'à 1.5 kHz. Les paramètres sous les spectrogrammes indiquent le temps universel (UT), le temps local (LT), les latitude et longitude géographiques, et le paramètre de McIlwain L. Les spectrogrammes TBF sont dominés par des émissions appelés 'sifflements'. Vers 20 :51 :50 UT on peut voir un pulse HF dans le panneau du haut.	Figure 26 : Même présentation que dans la Figure 25 mais les données sont maintenant enregistrées pendant 4 minutes le 31 Janvier 2006 quand le satellite est en mode survey. Un pulse HF est visible au moment d'un sifflement intense vers 03 :27 :20 UT.
Bas : Carte obtenue avec le modèle ionosphérique IRI2001 montrant la fréquence critique de la couche F de nuit à l'heure locale des passages Demeter." class="shutterset"> Figure 27 : - Haut: Emplacement des événements HF. –- Bas : Carte obtenue avec le modèle ionosphérique IRI2001 montrant la fréquence critique de la couche F de nuit à l'heure locale des passages Demeter. Une comparaison des 2 cartes montrent les ondes HF émises par les éclairs sont réfléchies autour de l'équateur magnétique car la fréquence critique de l'ionosphère est trop élevée.
Milieu: Intensité en kA et occurrence des éclairs pour le même intervalle de temps que le panneau du haut. Bas: Les étoiles rouges indiquent la position géographique des éclairs qui sont montrés dans le panneau du milieu." class="shutterset"> Figure 28 : - Haut: Spectrogramme d'une composante électrique dans la gamme TBF entre 0 et 20 kHz enregistré le 23 Septembre 2005 entre 03:16:00 et 03:23:00 UT. Les deux lignes blanches verticales montrent l'emplacement d'un mode burst. Les paramètres sous le spectrogramme indiquent le temps universel (UT, le temps local (LT), les latitudes et longitudes géographiques et le paramètre de McIlwain L. - Milieu: Intensité en kA et occurrence des éclairs pour le même intervalle de temps que le panneau du haut. - Bas: Les étoiles rouges indiquent la position géographique des éclairs qui sont montrés dans le panneau du milieu. La ligne noire est la trace de l'orbite de DEMETER. L'intervalle de temps corresponds au même intervalle de temps que les panneaux précédents, i.e., la carte a les mêmes limites en latitude que le panneau du haut.	Figure 29 : Modélisation du phénomène observé dans la Figure 28. On considère que la source d'émission d'ondes est un dipôle vertical car les éclairs d'orage sont concentrés en un seul endroit. Les interférences sont produites par les différents modes de propagation qui sont excités dans le guide Terre-ionosphère. L'axe x représente la distance à partir de la source.
Figure 30 : Exemple de précipitations de particules par un éclair d'orage. Le panneau du haut montre un spectrogramme entre 0 et 20 kHz obtenu avec une antenne électrique. La trace verticale vers 20 :03 :50 UT est la signature électromagnétique d'un éclair qui s'est produit dans l'atmosphère. On peut voir au même moment sur les 2 panneaux du bas qui représentent les données d'IDP une augmentation du flux de particules jusqu'à 200 keV.

Les figures 31 et 32 montrent les effets combinés des émetteurs VLF et des ondes de type whistler dues aux orages atmosphériques qui se propagent dans le guide Terre - ionosphére. La carte globale des émissions entre 18 et 25 kHz indique l'emplacement des émetteurs VLF les plus puissants. Ces émetteurs chauffent l'ionosphère et induisent des perturbations de densité ionosphérique. Les ondes qui se propagent dans le guide Terre - ionosphère peuvent donc traverser plus aisément l'ionosphère (elles sont moins atténuées) et être observées au dessus par un satellite. La figure 32 qui concerne la gamme de fréquence 2 MHz montre les ondes dues aux orages atmosphériques qui ont pu traverser l'ionosphère à l'emplacement des émetteurs VLF.

Figure 31 : Carte globale montrant les émissions dans la gamme de fréquence 18-25 kHz. Les émissions les plus intenses correspondent à l'emplacement des émetteurs VLF.

Figure 32 : Carte globale montrant les émissions dans la gamme de fréquence 2000-2500 kHz. Les émissions les plus intenses correspondent à l'emplacement des émetteurs VLF mais elles sont produites par la partie HF des éclairs atmosphériques (voir texte).

Une étude a aussi été entreprise (Fisher et al., 2010) sur l'intensité des whistlers recueillis à bord de DEMETER en fonction de l'intensité de l'éclair et de leurs distances par rapport au satellite (voir Figure 33).

Figure 33 : Intensité des whistlers enregistrés à bord de DEMETER en fonction de la distance (couleur) et l'intensité de l'éclair. A gauche pour le jour et à droite pour la nuit. L'intensité est beaucoup plus faible de jour car la densité ionosphérique est beaucoup plus importante. Cette intensité est proportionnelle au courant de l'éclair d'orage et inversement proportionnelles à la distance entre le satellite et l'éclair.