Étude de l'évolution de l'environnement radiatif spatial terrestre et de sa reconstruction

Study of the evolution of the Earth's space radiation environment and its reconstruction

• Auteur / Autrice : François Ginisty
• Direction : Frédéric Wrobel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 11/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Wrobel, Véronique Ferlet-Cavrois, Jean-François Ripoll, Jérôme Boch, Mioara Mandea-Alexandrescu, Franck Mady, Alain Michez, Robert Ecoffet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Ferlet-Cavrois, Jean-François Ripoll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomagnétisme -- Variations séculaires

Rayonnement extraterrestre

Magnétosphère

Van Allen, Ceinture de

Mots clés libres

Ceinture de radiation

Magnetosphere

Jerk magnétique

Champ magnétique terrestre

Saa

Dérive séculaire SAA

Radiation belt

Magnetosphere

Magnetic Jerk

Magnetic field

Saa

SAA drift

Résumé

L'environnement radiatif spatial terrestre est un environnement hostile pour les satellites envoyés par l'homme. Constitué de particules à haute énergie, responsables d’anomalies sur les instruments électroniques des satellites, il est primordial pour les agences spatiales internationales et les industriels de l’espace de connaître précisément cet environnement.Ainsi, les scientifiques tentent de décrire et reconstruire l'ensemble de l'environnement. Les modèles sont basés sur des mesures de flux de particules (protons et électrons) in situ. Cependant, tandis que l’objectif est d’avoir les niveaux de radiations jusqu’à l’orbite géostationnaire, les mesures des flux sont moins coûteuses, plus fiables et plus robustes lorsqu’elles sont effectuées sur des satellites en orbite basse. De fait, il faudrait, avec les modèles théoriques et les mesures dont on dispose aujourd’hui être capable de décrire l’ensemble de l’environnement uniquement à partir des données récoltées en orbite basse.Ainsi, l'objectif de la première partie de cette thèse était de comparer des jeux de données de mesures de flux d'électrons effectuées en orbite basse à des mesures effectuées à plus haute altitude.Nous avons tout d'abord comparé les flux d'électrons mesurés dans le cadre de la mission CARMEN-3 en orbite basse à ceux mesurées dans le cadre de la mission CARMEN-4. Cette comparaison s'est effectuée de juin à octobre 2019, pendant la phase de la montée en géostationnaire du satellite E7C de la mission CARMEN-4.Nous avons présenté une fonction de projection qui permet d'estimer les flux mesurés pendant la mission CARMEN-4 à partir des flux mesurés pendant la mission CARMEN-3.Ensuite, nous avons effectué une comparaison similaire entre des mesures de flux d'électrons effectuées dans le cadre des missions CNES CARMEN-2 et CARMEN-3, et celles effectuées sur le satellite RBSP (Van Allen Probes) par un autre moniteur de radiation. Ce dernier satellite suit une orbite elliptique, jusqu'à 30 600 km. La mission CARMEN-2, quant à elle, embarque l'instrument ICARE-NG sur le satellite JASON-2 qui suit la même orbite basse que le satellite JASON-3 de la mission CARMEN-3.Nous avons ainsi, à partir de méthodes utilisant des techniques d'apprentissage supervisées, mis en place une procédure qui permet d'estimer les flux mesurés par RBSP à partir des flux mesurés par les missions CARMEN-2 et 3.Nous nous sommes ensuite intéressés aux flux de protons mesurés dans le cadre des missions CARMEN-3 et CARMEN-4. Nous avons comparé ces deux jeux de données, à l'aide de méthodes statistiques classiques. Nous ne sommes pas parvenus à établir une fonction de projection entre les mesures en orbite basse et celles effectuées à plus hautes altitudes. En revanche, cette étude nous a permis de donner un encadrement restreint des flux de protons mesurés pendant les deux missions.Enfin, une dernière partie de la thèse a consisté à étudier la dynamique de l'anomalie Sud Atlantique (SAA), mais d'un point de vue de flux de protons. À partir des flux de protons mesurés sur le satellite en orbite basse NOAA-15, nous avons étudié l'évolution de la surface et de la position de la SAA, de 1998 à 2022, i.e, sur la durée de plus de deux cycles solaires.Nous avons montré que la surface de la SAA est anti-corrélée avec un léger déphasage avec l'activité solaire.Pour étudier l'évolution de la position de la SAA, nous avons construit un barycentre en terme de flux de protons de celle-ci. Nous avons observé que la latitude de ce barycentre était également anti-corrélée, avec l'activité solaire.Enfin, l'étude de la longitude du barycentre de la SAA, nous a permis de voir que celle-ci dérivait globalement vers l'Ouest, à raison de 7 degrés en 24 ans.

The Earth's radiative space environment is a hostile environment for manned satellites. Composed of high-energy particles, responsible for anomalies on satellite electronic instruments, it is essential for international space agencies and space industries to have precise knowledge of this environment.Scientists are therefore working to describe and reconstruct the entire environment. Models are based on in situ measurements of particle flows (protons and electrons). However, while the aim is to obtain radiation levels up to geostationary orbit, flux measurements are less costly, more reliable and more robust when carried out on low-orbit satellites. In fact, with the theoretical models and measurements available today, it would be necessary to be able to describe the entire environment exclusively on the basis of data collected in low-Earth orbit.Thus, the aim of the first part of this thesis was to compare data sets of electron flux measurements made in low-Earth orbit with measurements made at higher altitudes.We began by comparing the electron fluxes measured during the CARMEN-3 mission in low-Earth orbit with those measured during the CARMEN-4 mission. This comparison was carried out from June to October 2019, during the geostationary orbital raising of the CARMEN-4 mission's E7C satellite.We presented a projection function that estimates the fluxes measured during the CARMEN-4 mission from the fluxes measured during the CARMEN-3 mission.Next, we carried out a similar comparison between electron flux measurements made on the CNES CARMEN-2 and CARMEN-3 missions, and those made on the RBSP (Van Allen Probes) satellite by another radiation monitor. The latter satellite follows an elliptical orbit, up to 30,600 km. The CARMEN-2 mission, meanwhile, embarks the ICARE-NG instrument on the JASON-2 satellite, which follows the same low-earth orbit as the JASON-3 satellite of the CARMEN-3 mission.Using methods based on supervised learning techniques, we set up a procedure for estimating the fluxes measured by RBSP from the fluxes measured by the CARMEN-2 and 3 missions.We then turned our attention to the proton fluxes measured by the CARMEN-3 and CARMEN-4 missions. We compared these two datasets, using conventional statistical methods. We were unable to establish a projection function between low-orbit measurements and those taken at higher altitudes. On the other hand, this study has enabled us to give a restricted framework for the proton fluxes measured during the two missions.Finally, the last part of the thesis involved studying the dynamics of the South Atlantic Anomaly (SAA), but from a proton flux point of view. Using proton fluxes measured on the low-orbiting NOAA-15 satellite, we studied the evolution of the SAA's surface and position, from 1998 to 2022, i.e., over the duration of more than two solar cycles.We have shown that the SAA's surface is anti-correlated with a slight phase shift with solar activity.To study the evolution of the SAA's position, we constructed a barycenter in terms of its proton flux. We observed that the latitude of this barycentre was also anti-correlated with solar activity.Finally, a study of the longitude of the SAA's barycentre showed that it was drifting westwards by 7 degrees over 24 years.