Développement de l'instrument ATISE Wind pour la mesure des vents thermosphérique et ionosphérique en zone aurorale

Development of the ATISE Wind instrument for measuring thermospheric and ionospheric winds in the auroral regions

• Auteur / Autrice : Samuel Reboud--maquin
• Direction : Mathieu Barthelemy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique et Milieux Dilués
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble

Mots clés

Mots clés libres

Ionosphere

Thermosphere

Aurore polaire

Interférométrie

Interferometry

Ionosphere

Thermosphere

Polar light

Résumé

Les perturbations solaires, lors de leur impact sur l'environnement terrestre, sont responsables du chauffage de la thermosphère dans les zones aurorales et polaires, qui peut être intense et inhomogène. Ce chauffage provoque une expansion de la thermosphère, des modifications de rapport de mélange (rapport O/N2) et peut être responsable du déclenchement de forts vents horizontaux et d'ondes de gravité, appelées « traveling atmospheric disturbances » (TAD), qui peuvent se propager sur de grandes régions du globe (par exemple d'un pôle à l'autre). Ces vents et ces TADs peuvent avoir des conséquences importantes, en perturbant localement l'électrodynamique aurorale et en modifiant la circulation à grande échelle des vents (par rapport aux périodes calmes). Les vents peuvent alors transporter vers les moyennes et basses latitudes les perturbations produites aux hautes latitudes, comme le changement de rapport de mélange et modifier jusqu'à l'électrodynamique équatoriale fortement contrainte par la thermosphère. Les changements thermosphériques modifient également drastiquement l'ionosphère adjacente, en particulier sa concentration électronique, dont la connaissance est critique pour le maintien des communications radios et des signaux de positionnement GNSS. Aussi bien d'un point de vue de recherche fondamentale que pour des applications opérationnelles dans le cadre de la Météorologie de l'Espace, connaître les propriétés dynamiques de la thermosphère est essentielle, en particulier comme pour l'assimilation de ces données (densité, température et vents) en entrées de modèles numériques, pour contraindre avec précision l'ionosphère. Actuellement, ces données, en particulier de vents, sont très parcellaires et les renforcer est donc critique. Nous envisageons donc de développer un instrument pouvant être adapté sur petit satellite (Min 12U), sans pièce mobile permettant de mesurer ces vents. Plus précisément, l'objectif est d'être capable de mesurer les vents horizontaux et verticaux autour de deux altitudes, 110 km (raie verte) et 220 km (raie rouge). Pour des raisons techniques, nous envisageons dans un premier temps un petit champ de vue de l'ordre de 1°x1 et une résolution en vitesse de l'ordre de 3 m.s-1 pour des temps de pose de l'ordre de 1 à 5 s en zones aurorales et sans doute de 30 s en zone de basse latitude. Le déplacement important du satellite lors de la prise de mesure sera une difficulté et rentrera fortement dans les 'trade-off' à effectuer. Une diminution du temps de pose est un objectif important pour obtenir la meilleure dynamique possible. L'objectif de la thèse est d'arriver à un niveau de maturité technologique de 4 en fin de thèse en ayant fait des tests sur le ciel sur un version sol de l'instrument.

When solar disturbances impact the Earth's environment, they are responsible for heating the thermosphere in the auroral and polar zones, which can be intense and inhomogeneous. This heating leads to thermospheric expansion, changes in the mixing ratio (O/N2 ratio) and may be responsible for triggering strong horizontal winds and gravity waves, known as “traveling atmospheric disturbances” (TADs), which can propagate over large areas of the globe (e.g. from pole to pole). These winds and TADs can have far-reaching consequences, locally disrupting auroral electrodynamics and modifying large-scale wind circulation (in relation to calm periods). Winds can then carry high-latitude disturbances, such as changes in mixing ratios, to mid- and low-latitudes, and modify equatorial electrodynamics, which are strongly constrained by the thermosphere. Thermospheric changes also drastically modify the adjacent ionosphere, in particular its electronic concentration, knowledge of which is critical for maintaining radio communications and GNSS positioning signals. From a fundamental research point of view, as well as for operational applications in Space Meteorology, knowledge of the dynamic properties of the thermosphere is essential, in particular as for the assimilation of these data (density, temperature and winds) as inputs to numerical models, to accurately constrain the ionosphere. At present, these data, particularly wind data, are very patchy, and strengthening them is therefore critical. We therefore plan to develop an instrument that can be adapted to a small satellite (Min 12U), with no moving parts to measure these winds. More specifically, the aim is to be able to measure horizontal and vertical winds around two altitudes, 110 km (green line) and 220 km (red line). For technical reasons, we initially envisage a small field of view of the order of 1°x1 and a velocity resolution of the order of 3 m.s-1 for exposure times of the order of 1 to 5 s in auroral zones and probably 30 s in low-latitude zones. The significant displacement of the satellite during the measurement process will be a difficulty, and will play a major role in the trade-offs to be made. Reducing the exposure time is an important objective to obtain the best possible dynamic range. The aim of the thesis is to reach a technological readness level of 4 by the end of the thesis, having carried out tests on the sky on a ground version of the instrument.