Étude des doses pour le personnel navigant de l’aviation civile liées aux flashs gamma terrestres et autres phénomènes électriques atmosphériques

Estimation of the radiation risk to aircrew and aircraft passengers associated with atmospheric electricity events such as terrestrial gamma ray flashes and gamma ray glows

• Auteur / Autrice : Mélody Pallu
• Direction : Sébastien Célestin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Air France
• Partenaire(s) de recherche : Institution : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Laurent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Trompier, Andy Buffler, Michel Klerlein
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David M Smith, Martino Marisaldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation à faible dose

Dosimétrie

Orages

Transports aériens

Électrodynamique

Spectrométrie gamma

Mots clés libres

Flashs gamma terrestres (TGF)

Électrodynamique atmosphérique de haute énergie

Terrestrial gamma ray flashes (TGFs)

High energy atmospheric electrodynamic

Résumé

Les orages sont le lieu de production d’évènements de haute énergie découverts dans les années 90, appelés flashs gamma terrestres (TGF), et gamma ray glows. Les TGF sont des bouffées de photons gamma, détectables par satellite, dont la durée est de moins de 100 μs. Les énergies des photons produits peuvent atteindre ~40 MeV. Quant aux gamma ray glows, elles sont des augmentations du rayonnement de fond dans les orages, sur des durées plus longues (quelques secondes à dizaines de minutes) mais générant des flux de photons beaucoup moins importants. Ces deux types d’évènements sont produits par les mêmes mécanismes physiques impliquant des électrons de haute énergie, appelés avalanches d’électrons runaway relativistes.Ces évènements sont produits à des altitudes entre 10 et 15 km, coïncidant avec les altitudes des vols commerciaux. Dans cette thèse, nous adressons le problème d’une exposition supplémentaire due à ces évènements pour les passagers et le personnel navigant de l’aviation civile. Nous avons entrepris différents moyens d’étude afin d’apporter une réponse à cette problématique, en s’appuyant sur diverses méthodes. D’abord, l’estimation théorique des doses générées par les TGF à l’aide de simulation numériques montre que de fortes doses sont générées par les électrons source, cependant dans des régions compactes. Dans un second temps, une étude statistique estime que la probabilité qu’un avion commercial soit touché par la source d’un TGF, en utilisant des données satellites et des trajectoires d’avion, est faible. Enfin, nous présentons le développement d’un spectromètre gamma et les prédictions des mesures futures concernant les TGF et les gamma ray glows.

Thunderstorms produce high-energy events discovered in the 1990’s, named terrestrial gamma ray flashes (TGFs) andgamma ray glows. TGFs are bursts of gamma rays, detectable by satellite, which last less than 100 μs. The energy ofproduced photons can reach ~40 MeV. Concerning gamma ray glows, they are increases of the background radiationlevel in thunderstorms, with longer durations (from seconds to tens of minutes) but generating photon fluxes lessimportant. Both events are produced by the same physical processes implying high-energy electrons, named relativisticrunaway electron avalanches (RREAs).Those events are produced between 10 and 15 km of altitude, being coincident with commercial flight altitudes. In thisthesis, we address the possible additional exposure due to these events for passengers and commercial aircrews. Weperformed several set of tools to answer this problematic. First, the theoretical estimation of radiation doses deliveredby TGFs using numerical simulations shows that high doses are generated by source electrons, however in compactregions. Then, a statistical study estimates the probability for an aircraft to be hit by a TGF, using satellite data and flightroutes, is weak. Finally, we present the development of a gamma ray spectrometer to detect these events in closeproximity and predictions on the future measurements that will be performed for TGFs and gamma ray glows.