3SOLEIL/CERCLe : Cycle, Eruptions et Rayonnement Cosmique au Lesia

L’action du CERCLe (Cycle Eruptions et Rayonnement Cosmique au LESIA), au sein du pôle Héliosphère et Plasmas Astrophysiques (HPA) du LESIA et du service national d’observation 3SOLEIL, s’inscrit dans la thématique des relations Soleil-Terre. Les conséquences de l’activité de notre étoile sur l’homme, sa technologie et son environnement sont nombreuses [1]. Comme son nom l’indique les membres du CERCLe étudient plus spécifiquement les sujets suivants :

• Le cycle solaire à long terme (prévision de l’indice des taches)
• Les particules de haute énergie émises lors des éruptions solaires
• Les particules du rayonnement cosmique d’origine galactique

La modulation du rayonnement cosmique

Cycle solaire, rayonnement cosmique, GLE et décroissance Forbush

Les trois points mentionnés ci-dessus sont intimement liés. En effet si l’on mesure de manière continue le rayonnement cosmique au niveau du sol au moyen de moniteurs à neutrons, on constate que d’une part ce rayonnement est modulé par le cycle solaire (voir figure ci-contre) et que d’autre part il peut varier de manière sporadique en fonction de l’activité éruptive du Soleil.

Deux cas peuvent se présenter : une augmentation du nombre de particules détectées due à un événement à particules solaires (principalement des protons), ou bien une diminution due aux perturbations du champ magnétique interplanétaire (résultant d’une éjection de masse coronale par exemple). On parle dans le premier cas de GLE (Ground Level Event) et dans le deuxième cas d’effet Forbush. Au LESIA l’étude de ces phénomènes sert à mieux comprendre les mécanismes d’accélération des particules lors d’éruptions solaires et leur propagation dans le milieu interplanétaire.

Les stations françaises

Il existe deux stations françaises pour la mesure du rayonnement cosmique, l’une aux Iles Kerguelen dans l’océan indien, et l’autre sur le continent Antarctique, en Terre Adélie. L’IPEV (Institut polaire français Paul Emile Victor) et les TAAF (Terres Australes et Antarctiques Françaises) prennent en charge l’hébergement de ces moniteurs ainsi que les opérations logistiques associées. Les moniteurs sont opérés 365 jours/an par des Volontaires du Service Civique qui assurent un "hivernage" dans les stations Antarctiques et sub-Antarctiques. La responsabilité scientifique et technique de ces instruments est assurée par l’Observatoire de Paris.

Moniteur à neutrons aux Iles Kerguelen

Ces moniteurs ne mesurent pas directement les particules d’origine galactique ou solaire, mais les neutrons créés dans l’appareil à partir de particules secondaires incidentes (au niveau du sol surtout des neutrons et des protons), elles-même créées dans l’atmosphère par le rayonnement cosmique primaire. On parle de "douche cosmique" ou encore de "gerbe cosmique". Suite à l’année Géophysique Internationale (1957), de nombreux moniteurs ont été installés dans différentes régions du globe. Les données historiques des moniteurs français remontent au début des années 60 et sont en partie disponibles en ligne sur le site web du CERCLe. L’ensemble des données est disponible via une base de données européenne regroupant la plupart des moniteurs au niveau mondial (NMDB).

Effet du rayonnement cosmique sur le personnel navigant

Dose de radiation en fonction de l’altitude

Une des conséquences du rayonnement cosmique sur Terre, qu’il soit d’origine solaire ou galactique, est l’irradiation du personnel navigant. Comme on peut le voir sur la figure ci-contre, la dose de radiation augmente avec l’altitude. Les pilotes, hôtesses ou stewards sont donc plus exposés aux rayonnements ionisants qu’ils ne le seraient au niveau du sol. Ces doses restent très faibles, mais depuis 2003, elles doivent légalement faire l’objet d’une surveillance. C’est le but du système SIEVERT auquel est associé L’Observatoire de Paris. Grâce aux moniteurs à neutrons et à des modèles adéquats, il est possible d’estimer la dose de radiation en un point de l’atmosphère donné et donc de calculer la dose reçue sur toute la durée d’un vol.

La prévision des événements à particules

Des particules énergétiques du Soleil, même si elles ne pénètrent pas dans l’atmosphère, peuvent néanmoins gêner le fonctionnement de satellites artificiels, en générant dans les ordinateurs de bord des signaux parasites, voire endommager leur électronique. Les lancements de satellites et les opérations de véhicules spatiaux sont suspendus au cours d’un fort événement à particules. Il devient de plus en plus important de prévoir ces événements et, pour un événement qui a débuté, de caractériser ses durée et intensité. C’est un challenge – nous pouvons utiliser, pour une prévision à court terme, les moniteurs à neutrons puisqu’ils détectent les particules qui se propagent presque à la vitesse de la lumière et nous parviennent ainsi une dizaine de minutes avant les particules moins rapides. Ces dernières sont bien plus nombreuses et constituent le danger majeur. On cherche aussi à trouver quelles caractéristiques du rayonnement électromagnétique d’une éruption, qui est le premier signal qui nous parvient, pourraient nous permettre de prévoir si des particules énergétiques arriveront à la Terre et quelle sera l’évolution dans les heures à venir. La prévision à plus long terme (1 ou plusieurs jours), nécessaire pour déclencher ou arrêter les opérations de lancement d’un satellite, doit analyser les configurations magnétiques au Soleil pour évaluer la probabilité d’une éruption. C’est un vaste programme de recherche qui lie étroitement recherches fondamentale et appliquée. Le pôle HPA du LESIA participe activement à des recherches dans ce domaine, avec le CNES et CLS (Collecte Localisation Satellite).

Les services du CERCLe

Débit de doses de radiation estimée lors de l’événement du 20 janvier 2005 (hémisphère sud, 39000 pieds).

Crédits image : Observatoire de Paris/LESIA/CERCLe

Historiquement, l’entité CERCLe est issue du centre de prévision de l’activité solaire et géomagnétique de l’Observatoire de Meudon. CERCLe se concentre désormais sur la surveillance du rayonnement cosmique et sur ses applications, comme la modélisation des doses de radiations en cas d’éruption solaire (modèle SiGLE). Il fournit un soutien actif aux acteurs en dehors de la recherche, tel l’IRSN pour SIEVERT. Il fournit depuis 2019 le modèle temps réel SiGLE_RT pour un service de météorologie de l’espace au bénéfice de l’aviation civile internationale (OACI)