1 Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université … · Décharge électrostatique (ESD): Nombre...

Atelier INTENS, 14-15 Novembre, Université Montpellier 2 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 3

Environnement spatial: un milieu hostile

1

10

100

1000

10000

100000

1 2

Série1

Série2

101

102

103

104

105 Météorites Photons solaires

Ceintures de radiation

Neutrons

Plasma Contaminants Débris

Oxygène atomique Plasma Contaminants Débris

100

Altitude (km)

GEO

LEO

Environnement spatial: statistique des anomalies en orbite

Anomalies sur USAF 1960-1964

Conception 25%

Electronique 16%

Environnement 21%

Inconnu 30%

Qualité 8%

Radiations 51%

Atmosphère résiduelle 2%

Champ magnétique 3%

Météorites et débris 7%

Cyclage thermique 10%

Plasma 27%

D’où viennent les anomalies dues à l’environnement ?

Effets cumulatifs *Vieillissements revêtements thermiques, optiques, électroniques *Erosions *Contaminations

-60

-40

-20

0

20

40

60

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

Effets sporadiques * Bruits détecteurs, optiques * Evénements singuliers dans les circuits électroniques à forte intégration

* Décharges électrostatiques * Biais de mesures * Impacts

©ESA/NASA

©NASA

Effets sur les humains * Proportionnels *Stochastiques (retardés) ©CNES

Environnement spatial: les effets majeurs

Soleil Milieu interplanétaire Magnétosphère Injections

Pseudo Piégeage

Feuillet Neutre

Magnétopause Onde de choc

Ceintures de Radiation Cornet Polaire

Rayons Cosmiques et Eruptions

Vent

Sol

aire

La magnétosphère: définition

2

2

23456 2 3 4 5 60 11L

B

Nmag

Smag

2

2

23456 2 3 4 5 60 11L

Nmag

Smag

Champ magnétique dipolaire

ü Champ magnétique en première approximation:

Champ magnétique dipolaire incliné et décentré

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

SmagNgeo

SgeoNmag

Eqmag

ü Champ magnétique en deuxième approximation:

70°

80°

90°

80° 76°

ü Champ magnétique réel: Composante interne + composante externe

La magnétosphère: le champ magnétique terrestre

8

ü  Force de Lorentz:

Rayon de Larmor:

Période cyclotron:

Moment magnétique:

qBmVrL ⊥=

qBmTg π2

=

gL TqriS 2πµ ==

csteB

mV== ⊥

2

2

µ

ü  Giration autour du centre guide:

α

⊥VF⊥

(q,m)

B

V

α: angle d’attaque

EqBvqF

+∧=

Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (1/4)

9

Beq

V

αeq Bm

90°

αc

*

Points miroirs

Cône de perte

csteB

mV== ⊥

2

2

µ

eq

eqm

meq

eq

BB

BmV

BmV

α

α

2

2

sin

2²

2sin²

=

=

ü  Rebond entre les points miroirs:


10


ü  Dérive autour de la planète:

Origine principale: gradient radial du champ magnétique (1/r3)

qBmVrL ⊥=Rayon de Larmor variable,

q<0

q>0

Coupe équatoriale

11

B

Electron Proton

Coquille de dérive

Particule de 1 MeV à L=2 Période (Rayon de Larmor)

Electron Proton

Giration 10-6 s (1 km) 10-2 s (25 km)

Rebond 0,1 s 1 s

Dérive 1000 s 1000 s

ü  Mouvement global des particules:


12

Particule Energie Extension

Terre e- 1keV-10 MeV 1-10 RE

p+ 1 keV-100 MeV 1-7 RE

Jupiter e- 10 keV-100 MeV 1-30 RJ

p+ 10 keV-1GeV 1-30 RJ

Saturne e- 1keV-10 MeV 1-10 RS

p+ 1 keV-100 MeV 1-10 RS

Terre Saturne

Les ceintures de radiation: description(1/2)

13

(cm-2 s-1) (cm-2 s-1) AE8 min Electrons > 500 keV AP8 min Protons > 10 MeV

Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre

ü  Flux d’électrons et de protons dans les ceintures terrestres:

Les ceintures de radiation: description(2/2)

Ceinture externe d’électrons

Ceinture interne d’électrons

Slot Une seule ceinture de protons

14

14

SmagNgeo

SgeoNmag

15

SmagNgeo

SgeoNmag

Les ceintures de radiation: anomalie de l’atlantique sud (2/2)

Protons Electrons

SAC-C/ICARE Proton 9,65-11,35 MeV SAC-C/ICARE Electron 450-510 keV

15

Les ceintures de radiation: la dynamique (1/4)

500

1000

1500

2000

2500

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Pertes de particules

16

Chauffage de l’atmosphère


Orages magnétiques

Injection de particules

Éruptions solaires

Rayonnement cosmique

Protons

17


ü  Dynamique à l’échelle de l’orage ou de l’éruption:

Electrons

Orage mars 1991

Remplissage de la région du slot Enrichissement de la

ceinture interne

Orage mars 1991

Création d’une deuxième ceinture

Eruption solaire

18

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1976 1981 1986 1991 1996 2001

année

flux

(keV

-1cm

-2s-

1sr-1

) 61.2488.74125.5183.71266.22396.86612.37908.31284.52

50-75 keV75-105 keV105-150 keV150-225 keV225-315 keV315-500 keV500-750 keV750-1100 keV1100-1500 keVFl

ux (k

eV-1

cm-2

s-1sr

-1)

ü  Dynamique à l’échelle du cycle solaire:


Electrons

Flux d’électrons à l’orbite géostationnaire (L=6,6)

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

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

1976 1980 1984 1988 1992 1996

104

103

102

101

Flux

(pro

tons

/cm

2 s)

250

200

150

100

50

F10.7L = 1,20

L = 1,18

L = 1,16

L = 1,14

250000

300000

350000

400000

450000

5000001.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

HHeO#/

cm3

Cou

nts/

s

Densitésatmosphériques800 km, 0o,0o

Neutronscosmiques

Protons

Flux de protons à faible L

19

Les effets sur l’environnement: Définition

Ions

Protons

Electrons

eV keV MeV GeV

Environnement chargeant

Environnement radiatif

Ceintures de radiation

Eruptions solaires

Rayons cosmiques

Plasma

SEE

Charge de surface

Charge Interne

Dose ionisante

DDD

Charge de surface

DDD

Dose ionisante

SEE

20

Les effets sur l’environnement: Exemples

Longitude

Latit

ude

Latit

ude

-90° -90°

90° 90°

0° 0°

Day in 1989 0 200 400

SAA

Eruption Octobre 1989 UoSAT

ü  Evénement singulier (SEU):

ü  Décharge électrostatique (ESD):

Nombre mensuel d’ESD

Nombre de jours par mois ayant un flux >108 cm-2 sr-1 d’electrons > 2 MeV

21

Sensibilité des orbites aux radiations (1/2)

LEO (800km -98 °)

LEO (1400km -52°)

GPS (20000km -55 °) GPS (20000km -55 °)

GEO (35000km -0 °) GEO (35000km -0 °)

Electron Proton

Coupe méridienne des ceintures de radiation de la Terre

22

Sensibilité des orbites aux radiations (2/2)

1.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+081.E+09

0.01 0.1 1 10 100 10001.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+081.E+09

0.01 0.1 1 101 .E -0 6

1 .E -0 5

1 .E -0 4

1 .E -0 3

1 .E -0 2

1 .E -0 1

1 .E + 0 0

1 .E + 0 1

1 .E + 0 2

1 0 1 0 0 1 0 0 0

3 5 5 0 0 k m - 0 d e g2 0 0 0 0 k m - 5 5 d e g1 4 0 0 k m - 5 2 d e g8 0 0 k m - 9 8 d e g8 0 0 k m - 3 0 d e g

E (MeV) E (MeV) E (MeV)

AP8 min AE8 max Feynman 80%

(MeV-1 cm-2 s-1) (MeV-1 cm-2 s-1) (MeV-1 cm-2 s-1)

1.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+081.E+09

0.01 0.1 1 10 100 10001.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+081.E+09

0.01 0.1 1 101 .E -0 6

1 .E -0 5

1 .E -0 4

1 .E -0 3

1 .E -0 2

1 .E -0 1

1 .E + 0 0

1 .E + 0 1

1 .E + 0 2

1 0 1 0 0 1 0 0 0

3 5 5 0 0 k m - 0 d e g2 0 0 0 0 k m - 5 5 d e g1 4 0 0 k m - 5 2 d e g8 0 0 k m - 9 8 d e g8 0 0 k m - 3 0 d e g

E (MeV) E (MeV) E (MeV)

AP8 min AE8 max Feynman 80%

(MeV-1 cm-2 s-1) (MeV-1 cm-2 s-1) (MeV-1 cm-2 s-1)

23

Conclusion (1/2)

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

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

- Les orbites MEO et GEO sont sensibles aux électrons piégés dans la ceinture externe et aux protons solaires

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.

24

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.

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