Atelier INTENS, Novembre, Université Montpellier 2

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1 1 Atelier INTENS, Novembre, Université Montpellier 2

2 Les ceintures de radiation A. Sicard-Piet (ONERA/DESP) 2 Atelier INTENS, Novembre, Université Montpellier 2

3 Environnement spatial: un milieu hostile Météorites Photons solaires Altitude (km) 10 5 Ceintures de radiation Contaminants Plasma Débris GEO Contaminants Oxygène atomique Plasma Débris LEO Neutrons Atelier INTENS, Novembre, Université Montpellier 2

4 Environnement spatial: statistique des anomalies en orbite Anomalies sur USAF D où viennent les anomalies dues à l environnement? Inconnu 30% Environnement 21% Atmosphère résiduelle 2% Champ magnétique 3% Météorites et débris 7% Radiations 51% Cyclage thermique 10% Electronique 16% Qualité 8% Plasma 27% Conception 25%

5 Environnement spatial: les effets majeurs Effets cumulatifs *Vieillissements revêtements thermiques, optiques, électroniques *Erosions *Contaminations NASA Effets sur les humains * Proportionnels *Stochastiques (retardés) CNES Effets sporadiques * Décharges électrostatiques * Bruits détecteurs, optiques * Evénements singuliers dans les circuits électroniques à forte intégration ESA/NASA * Biais de mesures * Impacts

6 La magnétosphère: définition Onde de choc Magnétopause Soleil Milieu interplanétaire Magnétosphère Vent Solaire Feuillet Neutre Pseudo Piégeage Injections Ceintures de Radiation Cornet Polaire Rayons Cosmiques et Eruptions

7 La magnétosphère: le champ magnétique terrestre ü Champ magnétique en première approximation: ü Champ magnétique réel: Composante interne + composante externe Smag 2 B L 2 Nmag Champ magnétique dipolaire ü Champ magnétique en deuxième approximation: N geo S mag Eq mag N mag S geo Champ magnétique dipolaire incliné et décentré En l an 2000 : Dipôle excentré de 500 km et incliné de 11 Dérive séculaire du champ magnétique: Décalage: 4 km/an Inclinaison: moins de 1 o /an Module: - 27 nt/an

8 Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (1/4) ü Force de Lorentz: F= qv B+ qe ü Giration autour du centre guide: V Rayon de Larmor: B Période cyclotron: F α V (q,m) α: angle d attaque Moment magnétique: r L mv = qb 2πm Tg = qb µ = is = πr µ q 2 L Tg 2 mv = cste 2B = 8

9 Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (2/4) ü Rebond entre les points miroirs: 90 µ 2 mv = cste 2B = B m B eq * Points miroirs α c α eq V mv ²sin B m 2B = eq sin 2 B α eq 2 α eq eq = mv ² 2B m Cône de perte 9

10 Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (3/4) ü Dérive autour de la planète: Origine principale: gradient radial du champ magnétique (1/r 3 ) Rayon de Larmor variable, r L mv = qb q<0 q>0 10 Coupe équatoriale

11 Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (4/4) ü Mouvement global des particules: Proton B Electron Particule de 1 MeV à L=2 Période (Rayon de Larmor) Electron Proton Giration 10-6 s (1 km) 10-2 s (25 km) Rebond 0,1 s 1 s Dérive 1000 s 1000 s Coquille de dérive 11

12 Les ceintures de radiation: description(1/2) Terre Saturne Particule Energie Extension Terre Jupiter Saturne e- 1keV-10 MeV 1-10 R E p+ 1 kev-100 MeV 1-7 R E e- 10 kev-100 MeV 1-30 R J p+ 10 kev-1gev 1-30 R J e- 1keV-10 MeV 1-10 R S p+ 1 kev-100 MeV 1-10 R S 12

13 Les ceintures de radiation: description(2/2) ü Flux d électrons et de protons dans les ceintures terrestres: (cm -2 s -1 ) AE8 min Electrons > 500 kev AP8 min Protons > 10 MeV (cm -2 s -1 ) Ceinture externe d électrons Ceinture interne d électrons Slot Une seule ceinture de protons Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre 13

14 Les ceintures de radiation: Protons anomalie de l atlantique sud (2/2) Electrons Ngeo Ngeo Smag Nmag Sgeo SAC-C/ICARE Proton 9,65-11,35 MeV Smag Nmag Sgeo SAC-C/ICARE Electron kev

15 Les ceintures de radiation: la dynamique (1/4) 15

16 Les ceintures de radiation: la dynamique (2/4) Chauffage de l atmosphère Éruptions solaires Orages magnétiques Pertes de particules Rayonnement cosmique Injection de particules 16

17 Les ceintures de radiation: la dynamique (3/4) ü Dynamique à l échelle de l orage ou de l éruption: Electrons Protons Orage mars 1991 Orage mars 1991 Eruption solaire Remplissage de la région du slot Enrichissement de la ceinture interne Création d une deuxième ceinture 17

18 1.E km, 0 o,0 o Les ceintures de radiation: la dynamique (4/4) 1.E+04 #/cm 3 1.E+05 H He O 1.E+03 Flux flux (kev (kev-1cm-2s-1sr-1) -1-2 s -1 sr -1 ) ü Dynamique à l échelle du cycle solaire: Electrons Flux d électrons à l orbite géostationnaire (L=6,6) 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E kev kev kev kev kev kev kev kev kev Counts/s 1.E Flux (protons/cm 2 s) Protons Flux de protons à faible L L = 1,20 L = 1,18 L = 1,16 L = 1, Neutrons cosmiques F E année è Augmentation du flux d électrons à l orbite GEO en phase de décroissance du cycle solaire due aux orages magnétiques longs provenant des trous coronaux è Augmentation du flux de protons proche de la terre en minimum de cycle due aux rayonnement cosmique et diminution du flux de protons en maximum de cycle due au gonflement de l atmosphère 18

19 Les effets sur l environnement: Définition Environnement chargeant Environnement radiatif Electrons Charge de surface Protons Charge de surface DDD Dose ionisante Charge Interne SEE Dose ionisante DDD Plasma Ceintures de radiation Eruptions solaires Rayons cosmiques Ions SEE ev kev MeV GeV 19

20 Les effets sur l environnement: Exemples ü Evénement singulier (SEU): 90 UoSAT 90 Eruption Octobre 1989 Latitude 0 Latitude 0-90 Longitude ü Décharge électrostatique (ESD): SAA Day in 1989 Nombre mensuel d ESD Nombre de jours par mois ayant un flux >10 8 cm -2 sr -1 d electrons > 2 MeV 20

21 Sensibilité des orbites aux radiations (1/2) Electron Proton GPS (20000km -55 ) LEO (800km -98 ) GPS (20000km -55 ) GEO (35000km -0 ) GEO (35000km -0 ) LEO (1400km -52 ) Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre 21

22 Sensibilité des orbites aux radiations (2/2) 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 m -2 s -1 ) (MeV -1 cm -2 s -1 ) (MeV -1 cm -2 s -1 ) (M 1.E-01 1.E-02 Feynman 80% E (MeV) AP8 min E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E km - 0 deg km - 55 deg 1400 km - 52 deg 800 km - 98 deg 800 km - 30 deg E (MeV) AE8 max 1.E 1.E 1.E 1.E 1.E 1.E 1.E 1.E 1.E 22

23 Conclusion (1/2) ü L environnement spatial autour d une planète magnétisée est constitué de particules chargées de faible énergie, le plasma froid, et de forte énergie, piégées par le champ magnétique dans les ceintures de radiation. ü L environnement spatial est un milieu hostile pour toute mission mais les effets majeurs peuvent être différent selon l orbite de la mission considérée: - Les orbites LEO sont sensibles aux électrons et protons piégés dans la SAA - Les orbites MEO et GEO sont sensibles aux électrons piégés dans la ceinture externe et aux protons solaires ü La dynamique des particules de la magnétosphère (plasma et particules des ceintures) est fortement liée au cycle solaire (orages magnétiques, interaction avec l atmosphère) ü Les particules hors magnétosphère (éruptions solaires et rayons cosmiques) ont aussi une dynamique liée au cycle solaire 23

24 Conclusion (2/2) ü Les effets des particules chargées sur le satellite sont les suivants: Plasma basse énergie (ev): - perte de puissance des générateurs solaires - perturbation des mesures scientifiques à bord Electron moyenne énergie (kev): - problème de charge et d émission secondaire (ESD) Proton et électron de haute énergie (MeV): - charge interne et ESD - événements singulier (SEU, SEL, SEGR) - effets cumulatifs (dose ionisante, DDD) Ion de très haute énergie (GeV): - dégradation de composants (SEL, SEGR) ü Connaitre et prédire l environnement spatial que va rencontrer le satellite tout au long de sa mission est donc essentiel afin d éviter/diminuer au mieux les effets parfois irréversibles sur les équipements à bord. 24