Le 21 août 2017, une éclipse solaire totale traversera les États-Unis de l’Oregon à la Caroline du Sud en un peu plus de 90 minutes. Elle sera l’une des plus marquantes traversant le continent depuis 100 ans. Son ombre entraînera également des changements de l’ionosphère qui affectera la propagation des ondes radio. La contribution des Radioamateurs sera demandée lors de ce phénomène. Voici un article écrit par Nathaniel W2NAF.
En observant la carte de la figure 1, bien que les effets ionosphériques des éclipses solaires aient été étudiés depuis plus de 50 ans, de nombreuses questions sans réponse subsistent. Certains incluent, quelle partie de l’ionosphère est affectée par l’éclipse solaire, pour combien de temps et pourquoi est-ce le cas ?
Le site HamSCI
HamSCI (Ham Radio Science Citizen Investigation) est une plate-forme pour la publicité et la promotion de projets qui font progresser la recherche et la compréhension scientifiques par le biais d’activités de radio amateur. Elle encourage le développement des nouvelles technologies pour soutenir cette recherche et fournir des possibilités d’éducation à la communauté amateur ainsi qu’au grand public.
Il invite les opérateurs de radio amateurs à participer à une expérience à grande échelle qui analysera la question ionosphérique de l’éclipse solaire totale du 21 août 2017 et ciblera des questions ouvertes en physique ionosphérique.
Figure 1 : Éclipses solaires totales visibles aux États-Unis de 1950 à 2052. L’éclipse de 2017 (triangles rouges) aura une empreinte exceptionnellement longue au cœur des États-Unis continentaux. (image © 2017 HamSCI. All rights reserved)
La situation
L’ionosphère est produite lorsque le rayonnement ultraviolet solaire (UV) et le rayonnement (X) provoquent l’élimination des électrons négatifs des atomes neutres et des molécules dans l’atmosphère terrestre. Cela crée un type de gaz connu sous le nom de plasma, qui est constitué de particules chargées positivement et négativement. Après un certain temps, certaines de ces particules se recombinent pour former de nouvelles particules neutres. Lorsque le rayonnement solaire est présent, les processus de production et de perte ionosphériques se produisent simultanément en créant une ionosphère forte. Lorsque le rayonnement solaire est absent, les processus de perte dominent et l’ionosphère devient plus faible. Ces effets sont généralement observés à la suite du cycle jour-nuit (diurne). La figure 2 montre des exemples de profils ionosphériques jour et nuit typiques générés en utilisant le modèle empirique International Ionosphère de référence (IRI).
Figure 2 : Profils ionosphériques jour (rouge) et nuit (bleu). (image © 2017 HamSCI. All rights reserved)
D’une certaine manière, l’ombre d’une éclipse solaire ressemble à l’obscurité de la nuit. Cependant, il existe des différences importantes entre les éclipses solaires et les variations typiques jour/nuit. Par exemple, une ombre d’éclipse se déplace plus vite dans la direction opposée du crépuscule ou de l’aube. De plus, une ombre d’éclipse est relativement localisée par rapport à la nuit. Parce que l’ionosphère ne répond pas instantanément aux changements dans les entrées solaires, et plusieurs processus en plus de la production et de la recombinaison des ions simples sont en jeu, il n’est pas possible de supposer que l’ionosphère répondra à une éclipse de la même manière que le crépuscule ou l’aube.
Des études antérieures sur l’éclipse solaire ont révélé que les densités ionosphériques à basse altitude les régions D et E (60 à 150 km d’altitude), s’épuisent plutôt rapidement. Des résultats contradictoires ont été signalés pour la région F (150 à 600 km d’altitude), la région qui est plus utilisée par les procédés de transport du plasma que la photo-ionisation. Généralement, il a été signalé que ces conditions permettent une meilleure propagation des ondes radio à des fréquences inférieures à 10 MHz pendant l’éclipse, alors que l’absorption de la région D et E disparaît pendant ce temps.
Le mérite scientifique
D’importantes questions sans réponses se posent à l’échelle spatiale et temporelle aux effets ionosphériques de l’éclipse. La totalité de l’Éclipse affecte seulement une région étroite de l’atmosphère terrestre (de l’ordre de quelques centaines de kilomètres) pour des périodes de moins de dix minutes. Cependant, les observations précédentes suggèrent que les effets ionosphériques sont beaucoup plus longs et plus larges que prévu. La figure 3 et la figure 4 illustrent ceci. La figure 3 montre la fréquence critique de crête de la région F2 (f o F 2) sur Chilton, en Angleterre lors d’une éclipse solaire totale le 11 août 1999. La ligne verte montre des mesures effectuées avec une ionosonde, tandis que la ligne bleue montre les valeurs attendues (non éclipsées) générées par l’IRI. Les valeurs mesurées s’écartent des valeurs attendues de 8 h à 12 h heure locale, beaucoup plus longue au moins de 10 minutes.
Figure 3 : Effet de l’éclipse du 11 août 1999 sur f o F 2. La diminution de f o F 2 (vert) observée à partir du modèle IRI (bleu) sur une longue période coïncide avec une obstruction partielle du disque solaire. (image © 2017 HamSCI. All rights reserved)
De même, la figure 4 montre des données de rayonnement UV de 130,4 nm mesurées par l’instrument satellitaire le Spectrographic Ultraviolet spécifique (SSUSI) les jours avant (à gauche), pendant (au milieu) et après (à droite) une éclipse solaire totale sur l’Afrique le 29 mars 2006. Le panneau du milieu montre une ligne bleue indiquant le chemin de la totalité, ainsi qu’une grande région (~ 3300 km de diamètre) d’une légère émission de lumière appauvrie qui correspond à peu près à la région de l’ombre d’éclipse partielle.
Des études récentes, suggèrent que les processus plasmatiques complexes peuvent entraîner une incidence sur les régions spatiales plus importantes de l’ionosphère que ne serait prédit que par une simple photochimie.
Figure 4 : Données d’infiltration du spectromètre ultraviolet spécial (SSUSI) montrant une grande région d’enfouissement appauvri associée à une éclipse totale en 2006. Les trois panneaux montrent des données de jours avant, pendant et après l’éclipse à peu près au même endroit et à l’heure locale (image © 2017 HamSCI. All rights reserved)
Bien que les effets ionosphériques des éclipses solaires totales aient été étudiés depuis plus de 50 ans, ces questions concernant les échelles spatio-temporelles des effets de l’éclipse n’ont pas été correctement répondues. Il y a un certain nombre de raisons à cela. Premièrement, les éclipses sont des événements relativement rares qui ne traversent pas fréquemment les zones géographiques bien équipées pour les études ionosphériques. Ensuite, les progrès technologiques ont rendu possible récemment le suivi de l’ionosphère sur de très grandes zones géographiques à haute résolution temporelle et spatiale. Enfin, la réponse ionosphérique à une éclipse dépend de la saison, de l’heure et de l’emplacement sur Terre (en raison des différences de forme et d’orientation du champ magnétique terrestre à différents endroits).
Cela rend toute éclipse uniquement précieuse pour l’étude scientifique. L’éclipse du 21 août 2017 aura lieu sur une grande région géographique qui est bien instrumentée pour étudier les effets ionosphériques et présente donc une excellente occasion d’analyser les aspects spatio-temporels de la couche ionosphérique.
Le Radioamateur comme instrument scientifique ?
Les opérateurs radio amateur utilisent régulièrement des fréquences réparties dans les bandes de fréquence moyenne et haute (1.8 - 30 MHz) pour effectuer des communications bidirectionnelles dans de grandes zones géographiques. Les détails de ces communications sont enregistrés dans des journaux privés, ainsi qu'un réseau informatique public appelé DX Cluster . Les progrès récents en matière de technologie de l'information, de traitement du signal et de radio définie par logiciel (SDR) ont conduit au développement de systèmes automatiques d'observation et de reports tels que Reverse Beacon Network (RBN).
Il a été démontré que les données de ces systèmes peuvent être utilisées pour identifier et caractériser les perturbations ionosphériques à grande échelle.
La figure 5 et la figure 6 illustrent les effets de propagation diurne observées par le RBN. La figure 5 montre un intervalle de 5 minutes lorsque les États-Unis et l'Europe sont dans l'obscurité, tandis que la figure 6 montre un intervalle de 5 minutes lorsque les deux continents sont éclairés. Le trafic RBN est indiqué par des lignes codées par couleur pour les fréquence. Les points noirs indiquent les stations réceptrices RBN. Les points colorés représentent les mesures GPS-TEC. Les données RBN présentées sur ces figures caractérisent ce qui est habituellement attendu de la propagation HF jour et nuit suivant les conditions ionosphériques. C'est-à-dire que les conditions nocturnes (Figure 5) sont dominées par des communications sur des fréquences inférieures à 10 MHz, ce qui indique une ionosphère plus faible qui reflète des fréquences plus faibles mais qui ne peut pas réfracter des fréquences plus élevées. Les conditions de jour (Figure 6) sont dominées par des communications sur des fréquences supérieures à 10 MHz, ce qui indique une ionosphère plus forte qui réfracte les fréquences plus élevées mais qui absorbe les plus bases.
Figure 6 : même format que la Figure 5, mais pour les conditions de lumière du jour. Notez que les liens rouge et orange correspondent aux fréquences plus élevées, qui sont moins affectées par l’absorption de la région D et E. (image © 2017 HamSCI. All rights reserved)
À l’aide de cette technique et d’autres techniques similaires, HamSCI utilisera des données des Radioamateurs pour expliquer la réponse spatiale et temporelle de l’ionosphère à l’éclipse solaire. Il a été reconnu que l’utilisation de signaux radioamateur présent certains défis pour l’analyse scientifique. Certains de ces défis incluent la tendance des opérateurs à transmettre uniquement sur les fréquences qui fournissent les meilleurs liens de communication, un éventuel manque d’opérations de radio amateur pendant la période autour de l’éclipse et une incertitude quant à l’équipement (par exemple, le Modèle d’antenne, la puissance d’émission et le Niveau) utilisé. HamSCI a l’intention d’atténuer ces facteurs en s’associant avec American Radio Relay League (ARRL) pour parrainer une « Éclipse QSO Party » ou un événement opérationnel du style concours qui se déroulerait pendant l’éclipse. Les règles de cet événement exceptionnel seront écrites de manière à optimiser l’expérience. La Radio Society of Great Britain (RSGB) a parrainé un événement similaire lors de l’éclipse solaire du 20 mars 2015 en Europe. En outre, les opérateurs du Reverse Beacon Network se sont joints à l’organisation HamSCI et travaillent à apporter des améliorations aux capacités scientifiques du réseau.
Instrumentation ionosphérique supplémentaire
En plus des observations de radio amateur, de nombreux instruments de physique spatiale supplémentaires et bien établis seront utilisés pour surveiller les conditions ionosphériques lors de l’éclipse solaire. Ceux-ci incluent les mesures effectuées par le Super-dual Auroral Radar Network (SuperDARN), les récepteurs de contenu électronique (GPS-TEC) du système de positionnement global, les ionosondes et plus encore. Chacun de ces réseaux d’instruments détecte l’ionosphère d’une manière différente et dans différents endroits. La combinaison des données de ces réseaux permettra l’analyse la plus complète des questions ionosphériques de l’éclipse.
À titre d’exemple de la façon dont ces données supplémentaires seront utilisées, la figure 5 et la figure 6 montrent les données GPS (GPS-TEC) au moyen des chemins de propagation Reverse Beacon Network. TEC est une mesure du nombre total d’électrons dans l’ionosphère sur un chemin entre un satellite GPS dans l’espace et un récepteur GPS au sol. La vitesse d’un signal radio à travers l’ionosphère est directement liée à la fréquence de fonctionnement et à la densité du plasma ionosphérique traversé. Étant donné que certains récepteurs GPS reçoivent simultanément deux fréquences GPS distinctes, il est possible de déterminer le délai entre les signaux reçus et d’estimer le nombre total d’électrons dans une colonne le long du chemin de propagation. Chaque unité TEC (TECU) est égale à 10 16 m -2 électrons. La figure 5 et la figure 6 montrent que, comme prévu, le TEC est élevé dans les régions diurnes, mais faibles dans la nuit. Il convient de noter que, en raison des exigences du récepteur terrestre, les mesures GPS-TEC ne sont disponibles que sur la terre. Il n’y a pas de couverture sur les océans et une couverture quelque peu limitée au milieu des États-Unis. Les données des Radioamateurs pourront fournir des informations sur l’ionosphère dans des endroits où les données GPS-TEC ne seront pas disponibles.
En résumé :
Le 21 août 2017, une éclipse solaire totale traversera donc les États-Unis dans une période d’un peu plus de 90 minutes. Des recherches antérieures montrent que l’ombre de l’éclipse affectera l’état ionosphérique, mais l’étendue temporelle et spatiale des effets ionosphériques qui en résultent n’a pas été suffisamment caractérisée ou expliquée. HamSCI invite la communauté de la radio amateur à contribuer à une expérience à grande échelle en participant à « QSO-Eclipse », en développant davantage des réseaux d’observation automatiques tels que Reverse Beacon Network. Les données résultant de ces activités seront combinées avec les observations des réseaux de surveillance ionosphériques existants afin d’analyser et comprendre les effets spatio-temporels et spatiaux causés par une éclipse solaire totale.
Les références :
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- Nathaniel W2NAF is the primary author of this article. Greg and Magda are co-authors.
- Here is the author list:
Nathaniel A. Frissell, W2NAF (New Jersey Institute of Technology, Center for Solar Terrestrial Physics
Magda L. Moses, KM4EGE, (Virginia Tech, Space@VT)
Gregory D. Earle, W4GDE, (Virginia Tech, Space@VT)
Traduction et adaptation par de l'article « 2017 Eclipse Experiment Descriptions » du site : Hamsci.org
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