Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université
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1 Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université Montpellier 2 Les ceintures de radiation A. Sicard-Piet (ONERA/DESP) 2 Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université Montpellier 2 Environnement spatial: un milieu hostile Altitude (km) Météorites Photons solaires 10 1000005 Ceintures de radiation Contaminants Plasma Débris GEO 10 100004 10003 10 Contaminants Oxygène atomique Plasma LEO Débris 1002 10 Neutrons 10101 1001 3 Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université Montpellier 2 1 Environnement spatial: statistique des anomalies en orbite D’où viennent les anomalies dues à l’environnement ? Anomalies sur USAF 1960-1964 Environnement 21% Inconnu 30% Atmosphère résiduelle Champ magnétique 2% 3% Météorites et débris 7% Radiations 51% Cyclage thermique 10% Electronique 16% Qualité 8% Plasma 27% Conception 25% Environnement spatial: les effets majeurs Effets cumulatifs Effets sur les humains *Vieillissements * Proportionnels revêtements thermiques, optiques, électroniques *Stochastiques (retardés) *Erosions ©CNES ©NASA *Contaminations * Décharges électrostatiques Effets sporadiques * Biais de mesures * Bruits détecteurs, optiques * Impacts ©ESA/NASA * Evénements singuliers 60 dans les circuits électroniques à forte intégration 40 20 0 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 -20 -40 -60 30 60 90 120 150 180 La magnétosphère: définition Onde de choc Milieu interplanétaire Magnétosphère Feuillet Neutre Vent Solaire Soleil Magnétopause Injections Pseudo Piégeage Ceintures de Radiation Cornet Polaire Rayons Cosmiques et Eruptions La magnétosphère: le champ magnétique terrestre ü Champ magnétique en première approximation: Smag 5 4 3 2 1 0 Composante interne + composante externe B 2 6 ü Champ magnétique réel: 1 2 3 L 4 5 6 2 Nmag Champ magnétique dipolaire 70° ü Champ magnétique en deuxième approximation: Ngeo Smag Sgeo Champ magnétique dipolaire incliné et décentré 80° 80° 90° Eqmag Nmag 76° 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 1o/an Module: - 27 nT/an Les ceintures de radiation: ü Force de Lorentz: le mouvement des particules (1/4) F =qv ∧B+qE ü Giration autour du centre guide: V Rayon de Larmor: B rL = mV⊥ qB Période cyclotron: Tg = 2πm qB α Moment magnétique: F⊥ (q,m) V⊥ α: angle d’attaque 8 µ = iS = πrL2 q Tg mV⊥2 µ= = cste 2B Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (2/4) ü Rebond entre les points miroirs: mV⊥2 µ= = cste 2B 90° Beq Bm αc * αeq V mV ² sin 2 α eq 2 Beq Points miroirs Bm = Cône de perte 9 Beq sin 2 α eq = mV ² 2 Bm Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (3/4) ü Dérive autour de la planète: Origine principale: gradient radial du champ magnétique (1/r3) mV⊥ r = Rayon de Larmor variable, L qB q<0 q>0 Coupe équatoriale 10 Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (4/4) ü Mouvement global des particules: Electron Proton Particule de 1 MeV à L=2 Période (Rayon de Larmor) B Coquille de dérive 11 Electron Proton Giration 10-6 s (1 km) 10-2 s (25 km) Rebond 0,1 s 1s Dérive 1000 s 1000 s Les ceintures de radiation: description(1/2) Terre Saturne Terre Jupiter Saturne 12 Particule Energie Extension e- 1keV-10 MeV 1-10 RE p+ 1 keV-100 MeV 1-7 RE e- 10 keV-100 MeV 1-30 RJ p+ 10 keV-1GeV 1-30 RJ e- 1keV-10 MeV 1-10 RS p+ 1 keV-100 MeV 1-10 RS 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 Ceinture externe d’électrons Ceinture interne d’électrons Une seule ceinture de protons Slot Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre 13 (cm-2 s-1) 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 15 14 14 Smag Nmag Sgeo SAC-C/ICARE Electron 450-510 keV Les ceintures de radiation: 15 la dynamique (1/4) Les ceintures de radiation: la dynamique (2/4) 2500 2000 1500 1000 500 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 Chauffage de l’atmosphère 1990 1995 Éruptions solaires 2000 2005 2010 Orages magnétiques Pertes de particules Rayonnement cosmique Injection de particules 16 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 Remplissage de la région du slot 17 Enrichissement de la ceinture interne Orage mars 1991 Eruption solaire Création d’une deuxième ceinture 1.E+06 1.E+05 H He O #/cm3 Les ceintures de radiation: 800 km, 0o,0o la dynamique (4/4) 1.E+04 1.E+03 1.E+02 500000 Counts/s ü Dynamique à l’échelle du cycle solaire: Electrons Flux d’électrons à l’orbite géostationnaire (L=6,6) Neutrons cosmiques 450000 Protons 400000 350000 300000de protons à faible L Flux 250000 250 104 1.E+05 F10.7 -1 cm-2 s-1 sr-1) Fluxflux (keV (keV-1cm-2s-1sr-1) 50-75 keV 61.24 75-105 keV 88.74 105-150 keV 125.5 1.E+03 183.71 150-225 keV 266.22 225-315 keV 396.86 315-500 keV 612.37 500-750 keV 908.3 750-1100 keV 1284.52 1100-1500 keV 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1976 200 1981 1986 1991 1996 2001 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 L = 1,18 103 L = 1,16 102 150 100 L = 1,14 101 1976 année 18 Flux (protons/cm2 s) L = 1,20 1.E+04 1980 1984 1988 1992 50 1996 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 Les effets sur l’environnement: Définition Environnement radiatif Environnement chargeant Electrons DDD Plasma Dose ionisante Ceintures de radiation Charge Interne Charge de surface Eruptions solaires SEE Protons Dose ionisante Rayons cosmiques DDD Charge de surface Ions eV 19 SEE keV MeV GeV Les effets sur l’environnement: ü Evénement singulier (SEU): Eruption Octobre 1989 UoSAT 0° -90° 90° Latitude Latitude 90° Exemples 0° SAA Longitude ü Décharge électrostatique (ESD): -90° 200 0 400 Day in 1989 Nombre mensuel d’ESD Nombre de jours par mois ayant un flux >108 cm-2 sr-1 d’electrons > 2 MeV 20 Sensibilité des orbites aux radiations (1/2) Electron Proton GPS (20000km -55 °) LEO (800km -98 °) GEO (35000km -0 °) GEO (35000km -0 °) LEO (1400km -52°) Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre 21 GPS (20000km -55 °) Sensibilité des orbites aux radiations (2/2) (MeV-1 cm-2 s-1) 1.E+09 1.E+08 (MeV-1 cm-2 s-1) (M 1 .E 1.E+09 AP8 min 1.E+07 1.E+06 1.E+05 AE8 max 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1 .E 1 .E 1.E+05 1 .E 1.E+04 1.E+03 1.E+04 1.E+03 1 .E 1.E+02 1.E+01 1.E+00 -1) cm-2 s1.E-01 1.E+02 1 .E 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1 .E 1.E-02 0.01 1 .E 1.E-02 0.01 0.1 1 Feynman 80% 10 E (MeV) 100 1000 35500 km - 0 deg 20000 km - 55 deg 1400 km - 52 deg 800 km - 98 deg 800 km - 30 deg 22 1 .E 0.1 1 E (MeV) 10 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 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
