missions spatiales dans l’héliosphère et capteurs de ... · faible champ magnétique exosphère...

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7/3/2019 1 Laboratoire de Physique des Plasmas Missions spatiales dans l’héliosphère et capteurs de mesures in-situ Dominique Fontaine Laboratoire de Physique des Plasmas École Polytechnique, France [email protected] [email protected] Le LPP s’intéresse aux plasmas (particules chargées) dans l’héliosphère: - environnements des planètes et du Soleil, - milieu interplanétaire,.. Mesures in-situ des particules chargées et des champs électromagnétiques à bord de satellites

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Page 1: Missions spatiales dans l’héliosphère et capteurs de ... · faible champ magnétique exosphère (atmosphère très tenue) MESSENGER (NASA) 2004 : 3 survols + fin en orbite autour

7/3/2019

1

Laboratoire de Physique des Plasmas

Missions spatiales dans l’héliosphère

et capteurs de mesures in-situ

Dominique FontaineLaboratoire de Physique des PlasmasÉcole Polytechnique, [email protected]

[email protected]

Le LPP s’intéresse aux plasmas (particules chargées) dans

l’héliosphère: - environnements des planètes et du Soleil,

- milieu interplanétaire,..

Mesures in-situ des particules chargées et des

champs électromagnétiques à bord de satellites

Page 2: Missions spatiales dans l’héliosphère et capteurs de ... · faible champ magnétique exosphère (atmosphère très tenue) MESSENGER (NASA) 2004 : 3 survols + fin en orbite autour

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Bepi Colombo (2018)

Cassini (1997-2017)

Cluster (2000)

THEMIS (2007)

Terre

Saturne

Jupiter

Missions spatiales

Terre

Terre

MMS (2015)

NASA/ESA

MercureESA/JAXA

ESA

ESA

NASA

NASA

ESA

Parker Solar Probe(2018)

Solar Orbiter (2020)

NASA

R & T, Projetsfuturs …

Soleil

JUICE (2022)

Au centre de l’héliosphère: le Soleil

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Le Soleil émet en permanence :- des rayonnements : UV, EUV, X, …

- des particules : Vent Solaire

Vent solaire:

- électrons, ions, ….(densité : qq part./cm3)

- température:(100 000 K)

- vitesse supersonique !(400 km/s)

SOHO

Le Soleil est une étoile active et variableCycle de 11 ans

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Propagation du vent solaire dans le système solaire

Missions Solar Orbiter (ESA) 2020 et

Parker Solar Probe (NASA) 2018

Etudes des événements solaires

et de l’activité solaire

A partir d’observations:

- de la surface du Soleil par remote sensing

- in-situ après propagation dans le milieu

interplanétaire

Pour Solar Orbiter, le LPP construit des instruments in-situ:

- il réalise un analyseur de signaux électromagnétiques

- il fournit le détecteur pour un analyseur d’électrons

Détecteur EAS

Solar Orbiter

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OPS-G Forum

5th December

Impact des événements solaires sur Terre

Météorologie de l’espace

Les environnements planétaires

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Impact des rayonnements et vents solaires sur :

� un objet pourvu d’une atmosphère

vent solaire

Planète non magnétisée

pourvue d’une atmosphère

Atmosphère

� ionosphère

Rayonnement UV Rayonnement solaire UV, EUV, X, …

vent solaire supersonique

Impact des rayonnements et vents solaires sur :

� un objet pourvu d’une atmosphère

vent solaire

Planète non magnétisée

pourvue d’une atmosphère

Atmosphère

� ionosphère

Rayonnement UV Rayonnement solaire UV, EUV, X, …

vent solaire supersonique

Ionosphère

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sillage planétaire

ionopause

onde de choc

ionosphère

vent solaire

Interaction Vent Solaire - Planète Non Magnétisée

Cas de Mars, Vénus, comètes :

Simulation de l’interaction vent solaire/Mars (R. Modolo, thèse, 2004)

Distribution de |B|

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Impact sur un objet qui possède aussi un

champ magnétique ?

vent solaire

Planète Magnétisée

rayonnement solaire UV, EUV, X, …atmosphère

� ionosphèreionosphère

Exemple de planète magnétisée: Terre, planètes

géantes

vent solaire

Interaction Vent Solaire - Planète Magnétisée

magnétopause

onde de de choc

magnétosphère

�Création d’une magnétosphère

Cavité creusée dans le vent solaire

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la magnétosphère de Jupiter

Magnétosphère de Jupiter

Le plus gros objet du système solaire: B (Jupiter) ~ 14 x B (Terre)

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Mercure

Terre

Uranus

Neptune

JupiterSaturne

Mercure

Venus

Terre

Mars

Jupiter

Saturne

Uranus

Neptune

Magnétosphères planétaires

3 environnements emblématiques:

- Terre(seule planète habitée)

- Jupiter (la plus grosse planète du système solaire)

- Mercure(la plus petite planète du système solaire)

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1. Environnement de la Terre

La magnétosphère n’est pas vide:

- feuillet de plasma: couche de courant

- aurores boréales et australes

Feuillet de plasma

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L’environnement planétaire réagit aux fluctuations du milieu interplanétaire

Mission Magnetospheric Multi Scale (MMS)

4 satellites

NASA

Processus de petite échelle avec des

conséquences macroscopiques:- reconnexion magnétique

- turbulence

Lancée en 2015

LPP: magnétomètre

de type « fluxmètre »

Echange de particulesVent Solaire / Magnetosphère

Activité

exposive

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2. Environnement de Jupiter« La magnétosphère des superlatifs »

La plus grosse planète du

système solaire

Rotation très rapide (~10 h)

Nombreuses lunes

Le plus fort champ magnétique

Les radiations les plus intenses

CallistoGanymède

Europa

Io

La plus grosse magnétosphère du système solaire

Aurores polaires vues

par le télescope Hubble

Centrifugation des

particules dans le plan

équatorial (rotation rapide)

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Magnétosphère d’ions issus

de IO:

S+, S++, S+++, O+, O++, …

Io Volcanisme de IO: 1 tonne / s

principalement du dioxyde de soufre

Rôle des Lunes :

Ganymède

Seule lune dans le système solaire

à posséder un champ magnétique:

�mini-magnétosphère dans la grosse

magnétosphère de Jupiter

Emissions aurorales près des

pôles identifiées par le téléscope

Hubble

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Questions:

- Jupiter: Atmosphère ?

- Fonctionnement du système jovien ?

- Interactions Jupiter – magnétosphère -

Lunes ?

- Lunes: Ganymède, Europa, Callisto

Détection d’un océan sous la couche de

glace : habitabilité ?

Mission JUICE (ESA)

(JUpiter Icy moons Explorer)Lancement prévu pour 2022, arrivée 2030

Le LPP fournit un magnétomètre

« fluxmètre »

3. Environnement de MercureLa plus petite planète et la plus proche du Soleil

T=-200°C à 400°C

MARINER 10 (NASA) 1973 : 3 survols

� faible champ magnétique

� exosphère (atmosphère très tenue)

MESSENGER (NASA) 2004: 3 survols

+ fin en orbite autour de Mercure

� cartographie de la surface

� cartographie du champ de gravité

� fortes concentrations au sol de

sodium, soufre, chlore, …

BepiColombo MPO (ESA) & MMO (JAXA) octobre 2018:arrivée 2025: orbites autour Mercure

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Rotation de Mercure autour du Soleil

Pour Mercure:

1 révolution autour du soleil =1 année(M)= 88 jours(T)

� plus rapide que la Terre

1 rotation sur elle-même= 1 jour(M)= 58 jours(T)

� plus lente que la Terre

Résultat:

1 année (M) dure

1 jour et demi (M)

En 2 années(M), il y a 3 jours (M)

(BepiColombo)

© NASA

Pas d’atmosphère

Surface rocheuse

criblée de cratères

actuellement pas d’activité volcanique

T = 427°

T = -193°

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Questions:

Composition et température ?

Traces plus récentes ?

Evolution de la surface ?

Dépôt au pôle Nord ?

Glace ?

Climats anciens ?

Les couleurs représentent des terrains différents

coeur interne

solide

coeur externe

liquide

manteau

croûte

L’intérieur de Mercure

Le cœur devrait être entièrement refroidi.

Pourquoi existe-t-il encore un cœur liquide ?

Conséquence � Formation d’un champ magnétique

Mercure

Terre

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L’environnement de Mercure

Emission de particules

de sodium sur la face

éclairée

Cas de la Terre

magnétosphère

Faible champ magnétique

� Petite magnétosphère

Questions:

Composition ?(Sodium, Magnésium, Calcium, … )

Propagation à

grande distance ?

© ESA

Mission BepiColombo (2018)

2 sondes

MPO (ESA): Orbiteur Planétaire

Stabilisé

Instruments regardant Mercure

MMO (JAXA): Orbiteur Magnétosphérique

En rotation sur lui-même (4s)

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Orbites autour de MercureMPO: 480 km x 1 500 km, 2h 20min

MMO: 590 km x 11 640 km, 9h 20min © ESA

Pare-

Soleil

Au décollage, la fusée emporte 4 modules (4,1 tonnes):

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Module de transfert

vers Mercure

Orbiteur Planétaire

(MPO)

Pare-soleil contenant

l’orbiteur magnétosphérique

(MMO)

Assemblage à l’ESA

Lancement de Bepi Colombo (Kourou, 20 octobre 2018)

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Lancement de Bepi Colombo (Kourou, 20 octobre 2018)

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Croisière vers Mercure

Spectromètre d’ions :- Energie: qq eV à 30 keV

- Composition ionique: H+, Na+, Mg+, Ca+, …

Instrumentation au LPP

Magnétomètre « fluxmètre »

15

cm

Boîtier

électronique

Hautes

tensions

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Spectromètre MSA

Bepi Colombo

Spectromètre d’ions :

- Energie: qq eV à 30 keV

- Composition ionique: H+, Na+, MG+, Ca+, …

Instrumentation au LPP

Analyseur

en énergie

Chambre à temps

de vol: � espèce

Tests environnements

Vibrations

Température

UV

Radiations

Chocs

Table vibrante

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Test de chocs!!

Séminaire Bepi Colombo, 1-2 Juillet 2015

Mise en place sur le satellite

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Magnétomètre à double bande

BF: 100 mHz – 240 kHz

HF: 10kHz – 640kHz

DB-SC

• Noyau ferromagnétique

à perméabilité élevée

• Forme optimisée pour

maximiser l’amplification du flux

• Bobinage BF de 14000 spires

• Cylindre de ferrite agissant

comme un découpleur magnétique

• Bobinage HF

Magnétomètre « fluxmètre » tri-axial

La suite de l’histoire … en 2025 …

… dans 7 ans …. :

Transmission des données sur Terre

Analyse des résultats

Durée de vie autour de Mercure: 1 - 2 ans