Programme National Soleil Terre
Rapport de Prospective
Les objectifs scientifiques du PNST sont détaillés dans le document de Demande de Programme du 4 août 1997. Il s'agit de l'étude d'un grand système, depuis la création du champ magnétique solaire jusqu'aux effets sur la magnétosphère, l'ionosphère et la thermosphère terrestres en passant par la dynamique du vent solaire.
Ce document a été conçu à partir des discussions dans le cadre du Conseil Scientifique du PNST pour répondre aux demandes de la Section 14 et de la CSA, lors de la préparation des Colloques de Prospective de l'INSU et du CNES. Il pourra être mis à jour pendant le printemps 1998, lors de l'évolution du débat concernant la prospective. La première partie concerne les axes thématiques du PNST et la suite considère les conséquences pour les moyens et les projets, en opération, en réalisation et en discussion pour l'avenir. Dans cette première version, nous précisons nos priorités pour l'avenir. A l'heure présente le travail d'étude de la durée de vie des moyens opérationnels n'est pas encore accompli.
A. Les Axes Thématiques Prioritaires
A la suite des présentations et des discussions qui ont eu lieu pendant le Colloque de Perpective du PNST les 25 et 26 novembre 1997 et lors de l'atelier sur la Météo de l'Espace du 1 au 3 déc 1997, le Conseil Scientifique a dégagé des axes thématiques prioritaires pour les cinq ans à venir. Ces axes correspondent à la problématique générale Soleil/Terre déjà présentée, mais ils sont ciblés de façon plus précise. Ils sont suivis par un certain nombre de sujets "horizontaux", provenant du fait que certains sujets communs émergent des différents thèmes du PNST, concernant la physique de base ou les besoins en ressources, et qu'il convient d'avoir une action incitative en mettant en �uvre des actions structurantes sur ces sujets.
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Axe Thématique |
Comité de thème |
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a |
Origine du champ magnétique solaire
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dynamo et cyclicité, observation des étoiles de type solaire et de leur évolution. |
1 |
b |
Structure fine du champ photosphérique
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naissance du champ coronal, effets de convection, extrapolation vers la couronne |
1 |
c |
Structure à grand échelle de la couronne
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physique des régions "fermées" et "ouvertes", évolution avec le cycle solaire |
2 |
d |
Formation du vent rapide
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comprendre les processus d'accélération, et les relier aux propriétés du vent vers 1 U.A. |
2 |
e |
Formation du vent lent
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dynamique de la lame de courant, reconnexion, turbulence |
2 |
f |
Accélération dans la couronne et structures fines |
Filamentation, et rayonnement radio non thermique, liée aussi avec le milieu interplanétaire |
2 |
g |
Ejections de masse coronale (CMEs) |
Rôle des éruptions, des protubérances et des instabilités globales |
2 |
h |
Frontières magnétosphériques |
Transport anormal, dissipation sans collision |
3 |
i |
Accélération des particules dans la zone aurorale
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Filamentation, structures fines laminaires et turbulentes, et rayonnement non-thermique. |
3 |
j |
Circulation à grande échelle dans la magnétosphère |
modèle cohérent de la convection à beta fort, rôle des effets cinétiques |
3 |
k |
Dépôts d'énergie à hautes latitudes
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structure et dynamique ionosphérique, couplage du système magnetosphérique à l'atmosphère neutre. |
3 |
l |
Environnement e/m de la terre |
surveillance, effet des ondes e/m naturelles et artificielles dans l'environnement terrestre. |
3 |
m |
Météo de l'espace
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Problèmes globaux du système Soleil-Terre, étude de la possibilité de prévisions. |
4 |
Structure horizontale |
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Modélisations |
Modélisations MHD, cinétique et " hybride " (semi-fluide/centre guide), Nécessité de mettre en �uvre un développement coordonné des codes pour optimiser les investissements des groupes impliqués, besoins en moyens de calcul. |
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Processus dissipatifs à petite échelle, diagnostics de la turbulence |
Travaux expérimentaux et théoriques sur le rôle de la filamentation et des structures laminaires et turbulentes dans l�accélération. Diagnostics de la turbulence. |
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Archivage et Bases de Données |
il existe trois projets importants dans le PNST, dédiés à favoriser l�exploitation des projets scientifiques, passés et présents |
B. Les Moyens Opérationnels et en Cours de Développement
Les moyens actuellement en phase opérationnelle contribuent aux activités de fond du PNST et aux axes thématiques prioritaires. Nous ne ferons pas ici de classement de ces projets, mais nous mènerons une étude, en 1998, pour déterminer leur niveau d�exploitation à l�avenir, prenant en compte les ressources prévues, financières et en personnels, ainsi que la prévision d�une éventuelle date de fin d�exploitation.
SOHO fournit actuellement des données d'une excellente qualité et d�application directe dans le cadre du PNST, concernant en particulier les axes a - e, m. Compte tenu de la complexité et la quantité de données concernée, leurs analyse complète demandera du temps. Prenant en compte l'intérêt qu'il y a d�observer plusieurs phases du cycle solaire, les agences ESA et NASA ont accepté une prolongation de la mission jusqu'à 2002. On peut prévoir une utilisation intensive des données pendant 5 à 10 ans après la fin de cette mission.
THEMIS, en cours de qualification sur le site solaire des Canaries, concrétise l'aboutissement des efforts d'une communauté du PNST depuis plus de 12 ans. C'est un télescope d'avant-garde devant permettre la mesure du champ magnétique vectoriel (en utilisant les quatre paramètres de polarisation), et la haute résolution spatiale, spectrale et temporelle, obtenue par plusieurs modes d'observation complémentaires. Il permettra également le développement de nombreux programmes, menant à des contributions uniques aux axes a et b, ainsi qu'aux thèmes coronaux qui sont liés (instabilités, filamentations...).
Instruments sol au Pic du Midi. Trois instruments contribuent aux axes a, b et g du PNST.
DORAYSOL (définition et observation du rayon solaire) est un instrument quasi-automatique pour suivre sur un cycle solaire les variations de rayon, mises en évidence à l'astrolabe solaire du CERGA par des mesures de longue durée. Cet instrument, en phase de finition au plateau de Calern, contribue à l'axe a.
EISCAT, radar ionosphérique de classe mondiale, est installé sur trois sites scandinaves et en opération depuis 1981. Le nouveau radar ESR construit au Svalbard et opérationnel depuis 1997 est en évolution vers sa configuration nominale (doublement de l'émetteur en 97, deuxième antenne 98-99) - Géré par une association scientifique (Ge, Fr, Fi, No, So, UK et Japon) depuis 1996, ce système permet des observations ionosphériques allant des grandes échelles (structure et dynamique ionosphérique, échappement des ions, précipitations, couplage neutres) aux phénomènes de petite échelle (instabilités, écarts à l'équilibre thermodynamique local). Dans l'esprit d'une étude "multi-instruments" des phénomènes auroraux, il s'insère dans un cadre fort de collaborations : SuperDarn, Interbal, Cluster 2.
Le RADIOHELIOGRAPHE de Nançay est un instrument de capacité unique à l�échelle mondiale, en ce qui concerne l'imagerie, le nombre de canaux de fréquences accessibles simultanément et les gammes couvertes. Il contribue directement aux axes c, f, g et m . Il bénéficie aujourd�hui d�un renouvellement technique important.
Le RESEAU DECAMETRIQUE de Nançay est le seul instrument au monde qui permette l�observation spectrale des sursauts radio en séparant les polarisations droites et gauches. En termes de gamme de fréquence il couvre le décamétrique. Joint aux spectrographes européens dans la gamme décimétrique il assure ainsi une couverture spectrale complète. Contribue aux axes: f et g.
INTERBALL. Les satellites INTERBALL-1 (excentrique) et INTERBALL-2 (auroral), sont en cours d�opérations; ils fournissent des données correspondant principalement aux axes h et i. La communauté française est fortement impliquée dans cet ensemble de satellites. L�exploitation scientifique a lieu dans le cadre d�une association avec l�ISTP. On peut prévoir une utilisation intensive pendant 5 ans après la fin de la mission.
Dans le cadre d'ISTP, GGS (POLAR et WIND) La communauté française participe activement à l�exploitation scientifique des données fournies dans le vent solaire par WIND et à haute altitude au dessus des régions polaires par POLAR. Concerne les axes f à i.
ULYSSE : Etudie le vent solaire, avec sa champ magnétique, les particules et des ondes, dans et surtout hors du plan de l�écliptique Cette mission ASE/NASA, à laquelle la communauté française a participé largement, a été prolongée jusqu'à 2002 pour permettre une nouveau passage, d�un hémisphère solaire à l�autre. L�exploitation scientifique devrait durer une dizaine d�années; elle concerne principalement les axes d, f, g et m.
SUPERDARN : fournit principalement des données relatives à l�axe j. Des études effectuées en 1997 ont montré qu�il pouvait également suivre les effets des éjections de masse coronale (axe g) sur la structure de la magnétosphère. Ce réseau est un complément important par rapport aux études à mener sur les frontière magnétosphériques avec Cluster (axes h). La partie nord du réseau a un contrat (renouvelable) jusqu�en 2003. La partie sud (Kerguelen) vient d�être décidée.
MODELISATION ET SIMULATIONS NUMERIQUES. Aussi bien la physique de la couronne que celle des magnétospheres font de plus en plus appel à la modélisation et aux simulations numériques. Des outils ont été développés pour répondre à des situations d'échelles très variées : codes MHD 2D et 3D, codes particuliers, hybrides et pour le futur proche codes implicites. La physique atomique (qui fait appel aux méthodes de la chimie quantique) ainsi que la modélisation hors ETL, utilisent de plus en plus l'approche numérique. La plupart des codes ainsi développes par les équipes du PNST nécessitent des moyens de calcul lourds -du type Cray- accompagnés de moyens locaux de visualisation.
Le CDPP est une base de données de Physique des Plasma Spatiaux (mesures in situ, circumterrestres et interplanétaires, moyens sol, ...). Il est développé et réalisé dans le cadre d'un protocole entre le CNES et le CNRS et devrait être opérationnel et ouvert aux utilisateurs au dernier semestre 1999. Au delà de l'archivage massif des données, l'objectif principal est de rendre possible et de simplifier l'étude multi-instrumentale des systèmes magnétosphériques.
MEDOC est un Centre d'Opération des instruments de SOHO situé à Orsay, pour une utilisation par toute la communauté solaire européenne. Il a trois fonctions : opérations, analyse de données et archivage. L'archivage de MEDOC est une ressource reconnue et approuvée par l'ESA comme archive européenne officielle de SOHO. MEDOC est un projet conjoint IAS/CNES et a été réalisé avec le soutien du CNES, du CNRS, de l'Université et des collectivités territoriales. L'archivage "mission" est réalisé à Orsay pour toutes les données de SOHO. A plus long terme une archive définitive est envisagée au CNES Toulouse.
BASS 2000 a été créée sous l'impulsion de l'INSU, en partenariat avec l'Observatoire Midi-Pyrénées, l'Observatoire de Paris, et les collectivités territoriales. Il est une base de données nationale, dédiée aux observations solaires, obtenues à partir d'instruments au sol tels que THEMIS aux Canaries, l'Observatoire de Meudon, Nançay (radio), le Pic du Midi, etc... ainsi qu'aux simulations ou extrapolations numériques concernant la physique solaire. L'antenne Meudonnaise de BASS 2000, dédiée au Soleil Entier, est déjà en service depuis Octobre 1995. Elle offre en ligne les données journalières du Coro H-alpha du Pic du Midi (soutien sol SOHO), des spectrohéliogrammes de Meudon, du Radiohéliographe de Nançay et très bientôt celles de THEMIS.
CLUSTER 2 : La décision de re-fabriquer " à l�identique " les 4 saatellites du projet Cluster a été prise par l�ASE. Ce projet qui va permettre d�étudier, avec une approche multipoint originale, les frontières magnétosphériquesv est en cours de reconstruction. Le tir aura lieu en 2000, et l�exploitation scientifique couvrira une période de 10 ans. (suivre principalement les axes h et j)
C. Les Propositions pour l'Avenir :
C.1 Projets Spatiaux
Pour les missions spatiales, le cadre de la prospective est en partie fixé par l'existence des ouvertures que sont les Appels d'Offre emis par les agences spatiales, ou le lancement des programmes de missions spécifiques. Les projets au sol sont normalement d'un format plus libre.
Projets Solaires
Le Colloque de prospective du PNST a porté une attention particulière aux ouvertures concernant une mission "solaire". Ce problème se discute aujourd'hui dans le cadre de l'ASE, de la NASA, et du CNES. Trois concepts de missions sont discutés : une mission STEREO pour regarder les structures solaires de deux directions simultanément (axes a, b, g et m), une mission en interférométrie (exemple SOLARNET) pour un très grande résolution spatiale sur la photosphère et la chromosphère (axes a et b) et une Sonde Solaire, pour aller jusqu'à 4 Ro et examiner la couronne par imagerie et in situ (axes b, c, d et e et f), qui peut mener des études coordonnées des processus d'accélération et de formation du (des) vents solaires. La plupart des projets, dans les trois types, sont conçus comme des projets importants et demandant un montage international. Cependant, pour SOLARNET et la Sonde Solaire, il existe des propositions qui entrent dans le cadre des missions petites ou intermédiaires du CNES. STEREO peut cibler le recherche sur les CME's et donc un aspect scientifique proche d'un thème prioritaire du PNST, mais l'intérêt de la stéréoscopie n'est pas unanimement reconnu. SOLARNET pose certaines questions concernant sa sensibilité et le compromis difficile entre la résolution spatiale et temporale qui en résulte. Le CS estime que ce projet mérite une étude approfondie, avec, échelonnées dans le temps, validations au sol et en vol.
Le CS considère que la Sonde Solaire doit être la priorité française, prenant en compte le large intérêt manifesté pour ce projet, son originalité, et le fait qu'il concerne à la fois les deux communautés du PNST. Il souhaite de plus que soit trouvée une façon d'augmenter le temps de mesure et la quantité de données scientifiques.
Projets Circumterrestres
Compte tenu des connaissances préalablement acquises par notre communauté, le projet IBIZA constitue une étape importante et indispensable à franchir, dans l'élucidation de la chaîne complexe de mécanismes conduisant à l'accélération des particules chargées et à l'émission d'un intense rayonnement électromagnétique cohérent: le Rayonnement Kilométrique Terrestre. La mission IBIZA permettra d'étudier aussi bien la morphologie que l'évolution temporelle des structures à petite échelle mises en évidence lors des précédentes missions aurorales. Le système spatial doit donc être conçu de telle manière qu'il soit possible de réaliser des "rendez-vous" satellitaires le long d'un même tube de force du champ magnétique. Ce projet a déjà fait l'objet d'une étude de Phase A internationale (1994/966) qui a parfaitement démontré la faisabilité de la mission. Compte tenu de l'inadéquation actuelle de la plate-forme PROTEUS quant à la réalisation de ses objectifs scientifiques, la mission ne peut être réalisée que dans le contexte d'une coopération internationale. A l'heure actuelle, la coopération envisagée est une collaboration bilatérale Franco-Suédoise qui pourrait aboutir au lancement du projet IBIZA à l'horizon 2002/3. Il y aura une mise à jour des objectifs scientifiques, prenant en compte cette évolution.
Missions spatiales de petite et moyenne taille
De nombreuses propositions, provenant de la communauté du PNST, pourraient entrer dans le cadre "micro-satellites" ; elles ont été discutées par le Conseil. Du point de vue du CNES, le but principal des "micro-satellites" est le développement technique, un élément qui risque d�être un élément clé pour la sélection. Cependant le PNST peut aussi y trouver un intérêt scientifique, soit pour la préparation d�une nouvelle mission, soit pour certains objectifs de recherche. Dans cette situation la prioritarisation est complexe. Le Conseil manifeste son intérêt dans les projets suivants et constate que les deux premiers sont en avant, concernant leur niveau de maturité.
SEDICYA : "Boucle de courant" destinée à mesurer les fluctuations du courant dans le plasma des régions aurorales. Expérience essentiellement technologique avec en sus un objectif scientifique (filamentation des courants auroraux). Le but principal est de qualifier et de spatialiser cette expérience, ce qui peut être également utile pour le projet IBIZA. Des mesures d'accompagnement (particules et champ magnétique) sont prévues. L'avis général est que cette expérience semble bien adaptée au concept de micro satellites.
DEMETER Plusieurs phénomènes optiques (blue jets, sprites, elves) et électromagnétiques (TIPPS) ont été récemment observés en liaison avec l'activité orageuse. Les phénomènes optiques ont été détectés au dessus des nuages, à des altitudes inférieures à 100 km. Les phénomènes électromagnétiques ont été observés au sol et sur satellite. La physique fondamentale des processus mise en cause n'est pas connue. Ces problèmes rejoignent ceux posés par l'observation de signaux électromagnétiques en liaison avec l'activité sismique, la génération des éclairs atmosphériques et, plus généralement, le couplage thermosphère/ionosphère. Trois projets de mission (TARANIS, DEMETER, ORAGES) ont été construits autour d'objectifs spécifiques. Les équipements proposés (au moins TARANIS et DEMETER) permettent des recouvrements partiels. Une étude technique reste à faire pour examiner la possibilité de combiner ces missions.
Participation à la mission QUATRO de la NASA. Il s'agit d'une mission à quatre satellites de faible masse (4 x 25 kg), proposée conjointement dans le contexte NASA-UNEX. Elle est destiné à l'étude multi-échelle de la dynamique magnétosphérique ; l'objet principal est l'étude du déclenchement des sous-orages.
SODISM (maintenant intégré dans PICARD). Destiné à étudier le diamètre solaire et la constante solaire. Lié aux aspects Météo de l'Espace du Programme (corrélations possibles avec le climat terrestre). Cette expérience peut être intéressante, mais elle est sans doute difficile et elle semble peu compatible avec la durée de vie courte des micro-satellites comparée aux 11 ans du cycle solaire.
ESSAIM est une étude d'un concept de mission d'imagerie radio, basé sur des mesures synchronisées de champs d'ondes électromagnétiques à partir de plusieurs satellites ( 8). Ce type de mission répond à une prospective à moyen et long terme, qu'il s'agisse d'objectifs astrophysiques, solaires ou magnétosphériques. Il s'inscrit dans les axes f et g. Dans une première étape, ESSAIM propose une étude des contraintes techniques posées par tout concept multisatellitaire d'imagerie radio, avec quelques points spécifiques liés aux objectifs solaire et magnétosphériques.
Imagerie par les neutres : C'est l'un des plus "prospectifs" parmi les projets étudiés. Il s'agit d'une nouvelle approche qui doit permettre d'atteindre une image globale d'un milieu, la magnétosphère, où la plupart des données sont actuellement des données in situ (c'est la démarche inverse de la Sonde Solaire qui fournit des données in-situ d'un milieu dont on ne connaît actuellement que des images). On en est donc au stade de la validation. Ce genre d'expériences a un format bien compatible avec les micro-satellites. Un avant-projet américain à deux sondes (permettant aussi de faire de la stéréo) est en cours d'élaboration. L'avis général est positif, mais des questions sont posées sur les résolutions spatiale et temporelle accessibles (cf. utilité pour le problème des sous-orages en particulier).
C.2 Projets Sol
Parmi les propositions de projets sol, le Conseil donne une première priorité à EPIS (axe k), un interféromètre pour l'étude du vent neutre, prévu au Svalbard, déjà soutenu par l'ancien GdR Plasmae. Il s'agit de la suite du projet MICADO, qui a bien fonctionné auprès d'EISCAT pendant trois hivers. EPIS prévoit un fonctionnement automatisé, ce qui sert à minimiser le coût de déplacement de personnels. En marquant l'importance qu'il attache à ce projet, le PNST a décidé de le financer de ses crédits, en étalant l'opération sur quelques années.
Le PNST soutient fortement le projet ESPADONS (axe a) qui concerne l'origine du magnétisme stellaire et la géométrie des environnements circumstellaires. Il a encore d'autres objectifs stellaires au-delà des axes du PNST. C'est la suite du projet MUSICOS qui a déjà donné des résultats jugés excellents. ESPADONS est un spectro-polarimètre échelle pour le télescope CFH qui permettra la mesure, en une pose, de tout le spectre optique d'un objet dans tous les états de polarisation et avec une très bonne résolution spectrale. ESPADONS offrira une augmentation substantielle des moyens au plan focal du TCFH.
Résumé des Priorités pour les Projets de l'Avenir
Projets spatiaux solaires |
|
Projets circum-terrestres spatiaux |
IBIZA |
Projets type microsatellite |
SEDICYA et DEMETER |
Projets sol |
EPIS |