Les bienfaits de la Station spatiale internationale pour l'humanité

Limbosondeur submillimétrique supraconducteur (SMILES)

Le limbosondeur submillimétrique supraconducteur SMILES (pour superconducting submillimeter-wave limb-emission sounder) est le premier appareil expérimental embarqué à bord de la station spatiale doté d'un mélangeur supraconducteur refroidi mécaniquement, ainsi qu'un système de mesure à haute résolution des constituants atmosphériques mineurs intervenant dans la chimie de la stratosphère et de la mésosphère. SMILES a collecté des données d'observation de haute qualité pendant six mois, jusqu'à ce qu'il soit victime d'une défaillance. Toutefois, en dépit de sa durée de vie écourtée, la haute performance de SMILES a été mise en évidence au fur et à mesure que les données qu'il a recueillies ont été analysées. On anticipe que ces données recèleront une mine de nouveaux renseignements scientifiques. Le principal objectif scientifique de la mission SMILES est d'étudier le rétablissement et la stabilité de l'ozone stratosphérique, aussi appelée couche d'ozone. Certains calculs au moyen de modèles atmosphériques numériques ont suggéré que les niveaux d'ozone à l'échelle de la planète reviendront à leurs niveaux d'avant 1980 vers le milieu du 21e siècle. Toutefois, il existe encore d'importantes incertitudes sur les niveaux d'ozone, en particulier sur le bilan du brome et les processus chimiques du chlore inorganique. De plus, le refroidissement stratosphérique dû à l'augmentation des niveaux de gaz à effet de serre dans la troposphère peut affecter les tendances de la couche d'ozone ainsi que sa stabilité. La mission SMILES contribue à l'étude de ces problèmes avec une attention particulière pour la chimie détaillée des halogènes intervenant dans les processus de destruction de l'ozone.

L'appareil SMILES a été lancé avec Konotori1 par le lanceur H-IIB le 11 septembre 2009, depuis le Centre spatial Tanegashima au Japon. Après son arrimage, le 25 septembre, à un port de la plateforme externe d'expérimentation Kibo (module d'expérimentation du Japon) sur la station spatiale internationale (ISS), l'appareil a subi avec succès plusieurs tests critiques à bord. L'observation nominale continue de l'atmosphère de la Terre a commencé le 12 octobre. SMILES a continué son observation pendant environ six mois, jusqu'à ce qu'un composant de l'appareil tombe en panne le 21 avril 2010.

SMILES a permis de détecter des rayonnements de faible intensité provenant de constituants atmosphériques dans la région des longueurs d'ondes submillimétriques (0,46-0,48 millimètre, ce qui correspond à 624-650 gigahertz de fréquence). En calculant l'intensité des pics spectraux provenant de diverses espèces moléculaires, il est possible d'obtenir la concentration de ces espèces.

L'appauvrissement de la couche d'ozone et le changement connexe de la quantité de composés chlorés autour du pôle Nord constituent un échantillon de distribution globale de constituants atmosphériques obtenue grâce à SMILES. Durant l'hiver 2010, des ondes planétaires sont devenues plus actives dans la stratosphère, conduisant à un événement de réchauffement soudain de la stratosphère dans les hautes latitudes (une augmentation d'environ 40 degrés centigrades en quelques jours). Un processus chimique hétérogène a eu lieu à ce moment-là, et la concentration d'acide chlorhydrique gazeux, ou HCl, a diminuée à l'intérieur du vortex polaire. En même temps, la chimie du chlore a été activée par le rayonnement solaire en dehors de la région polaire nocturne, ce qui a conduit à une région à haute teneur en monoxyde de chlore, ou ClO. Dans cette région, une quantité d'ozone a été détruite. SMILES peut détecter simultanément avec une haute résolution de tels phénomènes.

Dans les spectres de température de luminance obtenus à partir des données de SMILES, on peut observer des pics intenses pour l'ozone et l'acide chlorhydrique, ainsi que des pics mineurs correspondant à l'acide hypochloreux ,ou HOCl, à l'acide nitrique ,ou HNO3, à l'oxyde de brome, ou BrOet aux isotopes de l'ozone. Le niveau de bruit de la température de luminance est d'environ 0,4 kelvin, ce qui est inférieur à celui d'autres limbosondeurs spatiaux.

En raison de la très haute performance de la spectroscopie réalisée avec l'appareil SMILES, la connaissance spectroscopique doit être très précise pour l'analyse des données d'observation. Au cours du premier stade de développement du système de traitement des données, les valeurs de la littérature les plus récentes ont été utilisées comme paramètres spectroscopiques. Toutefois, à la vue des résultats des tests de traitement des données, il s'est avéré que même la fiabilité de ces paramètres devrait être reconfirmée. Ainsi, des expériences spectroscopiques supplémentaires ont été réalisées afin de reconfigurer ces paramètres. De cette manière, la performance de l'appareil SMILES est si bonne que notre connaissance et nos résultats en science atmosphérique peuvent devoir être réexaminés.

SMILES a été lancé avec succès et a réalisé des observations atmosphériques à haute résolution spectrale. Malheureusement, son exploitation s'est terminée au bout de six mois d'observation, mais les données d'observation recueillies confirment la performance exceptionnelle de ce système. De plus, les résultats scientifiques préliminaires sont raisonnables et correspondent aux résultats obtenus avec d'autres appareils de mesure spatiaux. Même si les données d'observation n'ont été recueillies que pendant six mois, on pense que des renseignements non encore découverts se trouvent parmi ces données. D'autres études sur l'analyse et le traitement des données seront nécessaires pendant encore quelques années afin de découvrir la performance réelle du système SMILES.

spectre obtenu avec SMILES

Voici un exemple de spectre obtenu avec SMILES. À titre de comparaison des spectres obtenus à différentes hauteurs tangentes, la ligne de base de chaque spectre est déplacée verticalement. Le bruit aléatoire des spectres est d'environ 0,4 0,6 kelvin pour toutes les hauteurs tangentes (gracieuseté de Fujitsu FIP).

Destruction de l'ozone activée par ClO et HCl

Destruction de l'ozone activée par ClO et HCl le 23 janvier 2010. Elle est indiquée comme la région à forte teneur en ClO (voir la figure ClO). Dans la zone à forte teneur en ClO, la destruction d'O3 a eu lieu. (Voir la figure Ozone) La zone où la teneur en HCl est faible indique la région du vortex polaire (voir la figure HCl). (Gracieuseté de l'Université de Kyoto)


Takuki Sano
Bureau du projet scientifique de la Station spatiale internationale de l'Institut des sciences spatiales et astronautiques, JAXA