Analyse des évènements lumineux transitoires à partir d'observations terrestres et spatiales

Analysis of Transient Luminous Events from ground and space observations

• Auteur / Autrice : Zaida Gomez Kuri
• Direction : Serge Soula, Jean-François Georgis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Aérologie (Toulouse ; 1983-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Chauzy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Marchaudon, Olivier Chanrion, Thomas Farges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Célestin, Juan Montaña Puig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observations

Orages

Foudre

Ondes électromagnétiques

Mots clés libres

Orage

Éclair

Observation spatiale

TLE

Rayonnement électromagnétique

Modélisation de la décharge

Thunderstorm

Discharge modeling

Lightning flash

TLE

Electromagnetic radiation

Space detection

Résumé

Les événements lumineux transitoires (TLEs, de l'anglais emph{Transient Luminous Events}) sont des phénomènes d'émission de lumière qui se produisent à haute altitude, du sommet des nuages à la basse ionosphère, pendant les orages. Les différents types - Sprites, Elves, Halos, Blue Jets, Blue starters, Gigantic Jets, etc. - sont le produit de divers mécanismes régis par l'élimination de la charge d'un nuage orageux pendant les eclairs. Bien que les TLEs aient été découverts il y a trente ans, les mécanismes régissant leur formation et leur développement ne sont pas encore totalement compris. De plus, le rôle que joue l'ionosphère dans leur développement a été établi théoriquement, mais il existe peu de recherches impliquant des observations in situ. Dans ce travail, les observations au sol et dans l'espace des TLE sont utilisées pour étudier les paramètres les plus prometteurs responsables de leur production, y compris leur relation avec l'activité des eclairs et la structure des nuages orageux. Une analyse statistique des observations au sol de près de 600 TLE à partir d'une caméra au Pic du Midi, en France, est réalisée et les résultats sont utilisés pour identifier les TLE à l'aide d'un instrument spatial à bord de l'ISS : le réseau d'imagerie multispectral modulaire (MMIA) du instrument d'observation des interactions atmosphère-espace (ASIM, de l'anglais emph{Atmosphere-Space Inter-actions Monitor}). Cet instrument comporte trois photomètres et deux caméras dédiés à la détection des TLEs. Les principaux paramètres analysés sont les arcs qui produissent des TLE, y compris leurs pics de courant, leur retard et le moment courant, les intensités optiques de la température du sommet des nuages orageux, et les caractéristiques des nuages orageux obtenues par des techniques de traitement d'images. De plus, le couplage électrostatique entre l'ionosphère et la stratosphère est analysé en étudiant comment la densité des electrons est modifiée pendant des orages produisant des TLE en utilisant le contenu électronique total (TEC). Les résultats obtenus à partir des observations au sol comprennent la distinction claire entre les types des arcs qui produisent les différents types de TLE observés : sprites, halos et elves. Ces résultats ont permis d'identifier la première observation confirmée de sprites à partir de l'instrument MMIA sur l'ISS.

Transient Luminous Events (TLEs) are light-emitting phenomena that occur at high altitudes, ranging from the cloud tops to the lower ionosphere, during thunderstorms. The different types- Sprites, elves, Halos, Blue Jets, Blue starters, Gigantic Jets, etc.- are the product of various mechanisms governed by the charge removal from a thundercloud during lightning strokes. Although TLEs were first discovered thirty years ago, the mechanisms governing their formation and development are still not fully understood. Furthermore, the role that the ionosphere plays in their development has been established theoretically, however there is little research involving in-situ observations. In this work, ground and space observations of TLEs are used to investigate the most promising parameters responsible for their production including their relation to lightning activity and thundercloud structure. A statistical analysis of ground observations of nearly 600 TLEs from a camera in Pic du Midi, France is performed and the findings are used to identify TLEs using a space based instrument aboard the ISS: the Modular Multispectral Imaging Array (MMIA) of the Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM). This instrument has three photometers and two cameras dedicated to TLE detection. The main parameters analyzed are the TLE-producing strokes including their peak currents, delay, and current moment, the cloud top temperature (CTT) optical intensities of the thunderstorms, and thundercloud characteristics obtained through image processing techniques. Also, the electro-static coupling between the ionosphere and stratosphere is investigated by studying how the electron density is modified throughout TLE producing storms using the Total Electron Content (TEC). The results obtained from the ground observations include the clear distinction between the types of strokes that produce the different types TLEs observed: sprites, halos and elves. These results helped identify the first confirmed sprite observation from the MMIA instrument on the ISS.