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:
Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (2/4)
10
Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (3/4)
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:
Les ceintures de radiation: le mouvement des particules (4/4)
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
Les ceintures de radiation: la dynamique (2/4)
Orages magnétiques
Injection de particules
Éruptions solaires
Rayonnement cosmique
Protons
17
Les ceintures de radiation: la dynamique (3/4)
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:
Les ceintures de radiation: la dynamique (4/4)
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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