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Environnement

Atmosphère, atmosphère…

Au LPCE, à Orléans, des chercheurs passent au crible toutes les couches de l'atmosphère grâce à des ballons sondes et à des satellites de leur conception. Leur but : comprendre ce milieu si complexe animé de circulation des masses d'air, de remous et de tourbillons mais aussi de phénomènes mystérieux comme les fameux elves et farfadets. Revue de détail d'un précieux cocon.

VDL-Atmosphere

© B. Gaubicher/LPCE

Les ballons stratosphériques permettent d'effectuer des mesures dans la haute atmosphère de la Terre, notamment pour le suivi de la quantité d'ozone.


" Depuis l'avenue, levez les yeux, repérez la Terre, c'est impossible à rater. Vous êtes arrivé ! " Sur l'immense campus universitaire en périphérie de la ville, les laboratoires se succèdent. Puis, apparaît le bâtiment du Laboratoire de physique et chimie de l'environnement (LPCE) 1, arborant fièrement la planète à son fronton. Pas de doute, à l'image de ce globe balayé par les filaments d'un cocon laiteux, ici on étudie l'atmosphère. Celle de la Terre bien sûr, mais aussi celles des corps célestes, épaisses volutes de Vénus ou voile ténu de Mars. Sans compter la couronne solaire, assimilée à une atmo­sphère. Ici, tous les cocons gazeux sont à l'honneur, même si le nôtre occupe une place de choix… Difficile d'imaginer un milieu plus complexe que cette masse d'air, indispensable à la vie : remous et tourbillons y sévissent à toutes les échelles, particules en provenance du Soleil et rayons cosmiques s'y fraient un chemin et restent piégés dans le champ magnétique. C'est le lieu du fragile équilibre de l'ozone ou de manifestations éphémères et énigmatiques : « sprites », « blue jets » et « elves ». Mais elle offre aussi des ­propriétés intéressantes pour surveiller la planète… « Notre domaine d'expertise commence à 10-15 km au-dessus de nos têtes et s'étend jusqu'à quelques dizaines de rayons terrestres, pour l'étude de la magnéto­sphère, résume Pierre-Louis Blelly, directeur du laboratoire. Notre savoir-faire repose sur une quarantaine de chercheurs – théoriciens et expérimentateurs – et autant d'ingénieurs développant l'instrumentation nécessaire à cette recherche qui utilise ballons et satellites. »

 

l'atmosphère, espace vital

Commençons donc au plus près de nous. La tropo­sphère, première couche atmosphérique, où se forment les nuages et les turbulences, est étudiée par les climatologues et les météorologistes. Puis, à partir d'une altitude de 15 km, commence la stratosphère. C'est le royaume des ballons. Conçues par le Centre national d'études spatiales (Cnes), ces « méduses célestes » peuvent s'élever de 20 à 50 km et dériver pendant quelques heures à quelques jours avec des instruments à bord pour mesurer une foule d'espèces chimiques : « Nous sommes encore loin de comprendre toutes les réactions chimiques de l'atmosphère, explique Jean-Baptiste Renard, chercheur au labo. Le rôle des composés azotés, des halogènes comme l'iode ou encore des produits de l'activité humaine, comme la suie, reste à déterminer. » Sans compter que la strato­sphère abrite 90 % des molécules d'ozone (O3). Ramené dans les conditions de température et de pression qui règnent au niveau du sol, tout l'ozone atmosphérique occuperait une épaisseur de seulement 3 mm environ ! Et pourtant cette mince couche, indispensable à la vie, absorbe les rayons ultraviolets du Soleil, capables de briser les molécules organiques. Sa destruction par les composés industriels fait donc peser une vraie menace sur les êtres vivants. Sa diminution est surveillée par de nombreux ballons mais aussi par le satellite européen Envisat, lancé en 2002, qui a déjà enregistré une moisson de données. « Pour confirmer ses mesures, nous utilisons aussi des ballons équipés des mêmes instruments que le satellite. Ces campagnes de validation d'Envisat, programmées sur quelques jours, s'effectuent régulièrement depuis la base de Kiruna en Suède », souligne Jean-­Baptiste Renard, qui effectuera bientôt le voyage.

L'espace situé entre 10 et 100 km d'altitude est le siège de phénomènes surprenants. Tout commence dans les années cinquante. Les pilotes d'avions rapportent de drôles d'observations : des flashs intenses et très éphémères, rouges ou bleus, d'une durée inférieure à la seconde. Pendant longtemps, ils ne sont pas pris au sérieux. Hallucinations, clament les responsables. Mais en 1989, une caméra assez rapide prend, par chance, les premiers clichés de ces étranges phénomènes. Depuis, les chercheurs en ont découvert toute une variété : des filaments plus ou moins courts très colorés, les sprites, joliment traduits par « farfadets » en français ressemblent à des diablotins rouges qui ne durent que quelques dizaines de millisecondes et s'observent le plus souvent au-dessus des continents. Les « blue jets » – non, il ne s'agit pas de cocktails exotiques – apparaissent, eux, à plus basse altitude sous forme de bâtonnets bleus. Enfin, à près de 100 km d'altitude, les « elves », contrairement aux farfadets, s'observent le plus souvent au-dessus des océans. Elles prennent l'apparence d'un anneau lumineux dont le grand axe dépasse les 100 km, auréole égarée d'un saint ou ovni à la dérive… Tout ce bestiaire céleste « est, ­semble-t-il, le résultat d'un couplage entre le rayonnement cosmique, l'ionosphère et l'atmosphère… lors des orages atmo­sphériques », explique François Lefeuvre.

En 1991, toujours par hasard, le satellite américain Batse, dédié à la détection de rayons gamma d'astres lointains, a enregistré des flashs de rayonnement gamma en provenance de l'atmosphère terrestre, sous lui. Pour les chercheurs, les seuls candidats susceptibles d'émettre aussi bien les flashs lumineux que les rayons gamma seraient des avalanches d'électrons énergétiques accélérés vers le haut au-dessus des zones orageuses. Pour en savoir plus sur ces flashs, « nous avons proposé au Cnes un projet de microsatellite, appelé Taranis 2, dédié à l'étude de ces phénomènes et aux mécanismes associés, indique François Lefeuvre. On espère ainsi comprendre comment notre environnement proche peut produire des phénomènes aussi énergétiques. » Les chercheurs sauront au second semestre 2006 si la mission sera acceptée…

À plus haute altitude, c'est le domaine de surveillance d'un autre fleuron du LPCE, dont une partie a été conçue et fabriquée sur dans ce labo : le microsatellite Demeter 3, lancé en juin 2004 et chargé de repérer à 710 km d'altitude d'éventuels signaux émis par l'activité sismique ou volcanique terrestre. Sa région de prédilection est l'ionosphère, cette zone de la haute atmosphère caractérisée par la présence de particules chargées en électrons et en ions, formées par la dissociation de molécules de l'air, sous l'effet du rayonnement ultraviolet du Soleil.

 

Les tremblements de terre vus du ciel

 

VDL-Atmo-Demeter

© D. Ducros/CNES - LPCE

Illustration représentant le satellite Demeter du Centre national d'études spatiales (Cnes), dont la mission est l'étude des ondes électromagnétiques liées aux séismes et aux éruptions volcaniques. Pendant sa durée de vie de deux ans, Demeter devrait survoler 400 séismes importants pour détecter d'éventuels signaux précurseurs qui pourront aider à prédire la survenue de ces catastrophes.


L'ionosphère se comporte comme une couche conductrice qui transmet des ondes radio et de ce fait est indispensable aux télécommunications. Elle amplifie aussi les signaux en provenance de la Terre. C'est cette propriété qu'exploite Demeter. « Nous ne comprenons pas réellement comment un tremblement de terre pourrait transmettre un signal électromagnétique et perturber ainsi l'ionosphère », explique Michel Parrot. Pourtant, de tels signaux ont été repérés à plusieurs reprises, avant et après les séismes. Les manifestations qui suivent un tremblement de terre sont bien comprises : les ondes sismiques font osciller verticalement la surface terrestre. Pour les très forts séismes, l'amplitude de ces oscillations est à l'origine d'une onde acoustique qui se propage dans les basses couches de l'atmosphère et se trouve amplifiée une fois qu'elle atteint l'ionosphère. En revanche, l'origine du supposé signal présismique est encore obscure. L'une des explications avancées est basée sur la circulation de fluides : de quelques jours à quelques minutes avant un tremblement de terre, le sol est soumis à des contraintes importantes. Certaines fractures au sein des roches se ferment, et d'autres sont créées. Il en résulte une circulation de fluide souvent riche en ions qui pourrait être à l'origine d'un signal électromagnétique. Bien sûr, il est tentant de l'utiliser pour prédire la survenue des séismes. « Nous en sommes encore très loin. Dans un premier temps, il faut tenter de repérer l'ensemble des modifications électromagnétiques associées aux séismes, pour repérer éventuellement celles qui peuvent être exploitées, afin d'alerter et de protéger les populations », poursuit Michel Parrot. Demeter est donc un pionnier sur le terrain des prévisions sismiques.

Taranis, ballons stratosphériques, Demeter… le LPCE, laboratoire spatial reconnu, a vraiment un carnet de missions bien rempli. Ses salles propres pour l'assemblage stérile des composants électroniques destinés à équiper des satellites et ses moyens d'analyse ne sont pas prêts à rester inoccupés. Car à l'image de ces elves et farfadets, l'atmosphère recèle encore beaucoup de surprises.

 

Azar Khalatbari

 

 

 


MISSIONS EN HAUTES SPHERES

 

Le LPCE contribue aussi à trois importantes missions de l'Agence spatiale européenne, Cluster 2 (lancée en 2000, pour l'étude de la magnétosphère terrestre), Bepi Colombo (prévue en 2012 pour le survol de Mercure) et Rosetta (en trajet pour atteindre la comète 67P/Churyomov-Gerasimenko en 2014).

 

A. K.

 

 

Notes :

1. Laboratoire CNRS / Université d'Orléans.
2. Taranis : Tools for the Analysis of Radiations for lightning and Sprites. En collaboration avec Elisabeth Blanc, du CEA, et avec le CESR et le Los Alamos National Laboratory.
3. Detection of Electro Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions. Les instruments scientifiques de Demeter sont sous la maîtrise d'œuvre du LPCE.

Contact

LPCE, Orléans
Pierre-Louis Blelly
blelly@cnrs-orleans.fr

Michel Parrot
mparrot@cnrs-orleans.fr

François Lefeuvre
lefeuvre@cnrs-orleans.fr

Jean-Baptiste Renard
jbrenard@cnrs-orleans.fr

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