Étudier la météorologie spatiale à l'aide de données satellitaires

La magnétosphère de la Terre

Le champ magnétique de la Terre s'étend loin dans l'espace et crée une région appelée magnétosphère. La magnétosphère protège notre planète en déviant les particules énergétiques provenant du Soleil. Plusieurs processus physiques dynamiques qui se produisent dans cette région suivent le champ magnétique jusqu'à la Terre. Les aurores polaires sont attribuables à certains de ces processus.

Les scientifiques utilisent le ciel nocturne comme un écran de projection pour mesurer des phénomènes qui se produisent dans la magnétosphère, comme les aurores polaires, et pour étudier leur source. Le Canada est un endroit unique pour faire ces observations depuis le sol : une grande partie du pays se trouve sous l'ovale auroral, la zone où les aurores ont le plus chance de se produire.

L'étude des phénomènes météorologiques spatiaux

L'Agence spatiale canadienne soutient 13 équipes de recherche canadiennes qui étudient les phénomènes météorologiques spatiaux. L'objectif est de mieux comprendre ces phénomènes pour mieux prévoir leurs effets et intervenir s'il y a lieu.

Les tempêtes solaires sont à l'origine des aurores boréales, très jolies, mais elles peuvent aussi avoir des effets indésirables, comme perturber les radiocommunications et les signaux de navigation par satellite, endommager les infrastructures électriques au sol et dans l'espace (satellites) et même constituer une menace pour les vols aériens transpolaires.

Les chercheurs visent à approfondir les connaissances scientifiques des processus physiques dans le géoespace (l'espace près de la Terre) à l'origine des phénomènes météorologiques spatiaux. Pour ce faire, ils analysent des données de satellites canadiens et étrangers, en plus de faire appel à d'autres outils.

Que font les chercheurs avec les données satellitaires?

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  Magnétosphère

  1. Valider avec des données satellitaires les observations des phénomènes météorologiques spatiaux faites depuis le sol.

  2. Modéliser un anneau de courant circumterrestre dans la magnétosphère interne.

  3. Valider avec un réseau international de radars au sol les mesures faites avec les satellites.

  4. Calibrer un radar numérique innovant qui mesure le mouvement de la haute atmosphère.

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  Menaces pour les technologies modernes

  5. Simuler l'interaction des ondes de basse fréquence du plasma de la magnétosphère avec la haute atmosphère.

  6. Étudier comment et pourquoi les particules à haute énergie s'échappent des ceintures de radiation.

  7. Mesurer le flux d'ions qui peut entrainer des interférences avec les réseaux électriques.

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  Réflexion des signaux radio

  8. Suivre les réflexions des signaux radio pour prévoir les interruptions.

  9. Étudier les ondes radio transmises avec les radars terrestres au satellite CASSIOPE.

  10. Comprendre l'effet de l'espace sur l'utilisation des liaisons radio.

  11. Combler les écarts dans les mesures de la densité électronique de la haute atmosphère.

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  Interruptions du système de localisation GPS

  12. Prévoir la fiabilité des services de GPS dans le Nord.

  13. Prévoir les distorsions de la densité électronique qui peuvent interrompre les signaux du système GPS.

Sciences Soleil-Terre : résumés des projets

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  Magnétosphère

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  Les projets suivants font appel à des observations au sol dans le nord du Canada pour étudier les processus physiques qui se produisent dans les profondeurs de notre magnétosphère.

  • 1. Valider avec des données satellitaires les observations des phénomènes météorologiques spatiaux faites depuis le sol

    Modèle de transport auroral TREx

    TREx est un réseau de caméras aurorales et de récepteurs radio répartis dans tout le Canada, conçu pour observer les phénomènes météorologiques spatiaux. L'équipe de projet valide le modèle TREx à l'aide de mesures prises par des satellites.

    Équipe de recherche

    • Eric Donovan, Université de Calgary (chercheur principal)
    • Kristina Lynch, Dartmouth College
    • Yukitoshi Nishimura, Université de Boston
    • Christine Gabrielse, The Aerospace Corporation

  • 2. Modéliser un anneau de courant circumterrestre dans la magnétosphère interne

    Prévision avec les aurores du flux d'électrons énergétiques

    Grâce à l'apprentissage automatique et aux observations au sol, les chercheurs modélisent les systèmes de courant électrique en forme d'anneau qui circulent dans la magnétosphère interne.

    Équipe de recherche

    • Emma Spanswick, Université de Calgary (chercheuse principale)
    • Laleh Behjat, Université de Calgary
    • Vania Jordanova, Laboratoire national de Los Alamos
    • Robyn Fiori, Ressources naturelles Canada

• 3. Valider avec un réseau international de radars au sol les mesures faites avec les satellites

  Études multi-instruments des structures ionosphériques à des latitudes très élevées

  L'ionosphère est une partie active de l'atmosphère pleine d'électrons. Ces électrons ont été arrachés aux atomes par le Soleil, transformant les atomes en ions et donnant son nom à cette région. Les scientifiques valident les mesures par satellite de la densité des électrons dans cette région à l'aide d'un réseau international de radars au sol appelé SuperDARN.

  Équipe de recherche

  • Alexandre Koustov, Université de la Saskatchewan (chercheur principal)
  • David Themens, Université du Nouveau-Brunswick
  • Glenn Hussey, Université de la Saskatchewan
  • Kathryn McWilliams, Université de la Saskatchewan
  • David Knudsen, Université de Calgary

• 4. Calibrer un radar numérique innovant qui mesure le mouvement de la haute atmosphère

  Recherches à haute résolution avec ICEBEAR sur la région E

  Les radars peuvent servir à évaluer le mouvement de la haute atmosphère en mesurant les signaux qui rebondissent sur les ondes dans la haute atmosphère. Cette équipe de recherche étalonne ICEBEAR, un radar numérique canadien novateur situé dans le nord de la Saskatchewan, qui peut mesurer ces signaux.

  Équipe de recherche

  • Jean-Pierre St. Maurice, Université de la Saskatchewan (chercheur principal)
  • Kathryn McWilliams, Université de la Saskatchewan
  • Alexandre Koustov, Université de la Saskatchewan
  • Glenn Hussey, Université de la Saskatchewan
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  Menaces pour les technologies modernes

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  Les phénomènes météorologiques spatiaux peuvent générer de grands courants électriques et des ondes dans notre haute atmosphère, ce qui peut constituer un danger pour les technologies modernes, tant au sol qu'en orbite.

  Les projets suivants portent sur les phénomènes météorologiques spatiaux qui pourraient mettre en danger les technologies modernes.

• 5. Simuler l'interaction des ondes à basse fréquence du plasma dans la magnétosphère avec la haute atmosphère

  Hausse de température des ions et écoulement dans l'espace

  Les ondes plasma à ultrabasse fréquence peuvent hausser la température des ions de l'atmosphère et les propulser dans l'espace. Le réchauffement de l'atmosphère peut augmenter la densité et la trainée aux altitudes de l'orbite basse, ce qui constitue un risque pour les satellites en cours de lancement. L'équipe de projet simule l'interaction des ondes à ultrabasse fréquence du plasma dans la magnétosphère avec la haute atmosphère.

  Équipe de recherche

  • Robert Rankin, Université de l'Alberta (chercheur principal)
  • Frances Fenrich, Université de l'Alberta
  • Alexander Degeling, Université du Shandong
  • Dmytro Sydorenko, Université de l'Alberta

• 6. Voir comment et pourquoi les particules à haute énergie s'échappent des ceintures de rayonnement

  Modèles d'accélération et de perte des ceintures de rayonnement

  De nombreuses particules à haute énergie sont piégées par le champ magnétique de la Terre et créent ainsi les ceintures de rayonnement de Van Allen. Elles sont une menace pour les satellites qui traversent ces régions. Les scientifiques essaient de voir comment et pourquoi les particules à haute énergie s'échappent des ceintures de rayonnement de Van Allen.

  Équipe de recherche

  • Ian Mann, Université de l'Alberta (chercheur principal)
  • Louis Ozeke, Université de l'Alberta
  • Steven Morley, Laboratoire national de Los Alamos
  • Lauren Blum, Université du Colorado
  • Mark Clilverd, British Antarctic Survey

• 7. Mesurer le flux d'ions qui peut causer des interférences avec les réseaux électriques

  Électrodynamique des essaims à haute latitude

  Lors de fortes tempêtes géomagnétiques, les flux rapides d'ions sont accompagnés de courants importants qui peuvent perturber les réseaux électriques au sol. Les chercheurs mesurent le flux d'ions avec une grande précision à l'aide d'instruments canadiens embarqués sur les satellites de la mission Swarm de l'Agence spatiale européenne.

  Équipe de recherche

  • David Knudsen, Université de Calgary (chercheur principal)
  • Levan Lomidze, Université de Calgary
  • Johnathan Burchill, Université de Calgary
  • Alexandre Koustov, Université de la Saskatchewan
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  Réflexion des signaux radio

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  De nombreux outils modernes utilisent des ondes radio à haute fréquence pour la communication et la navigation. En faisant réfléchir ces ondes radio sur la haute atmosphère, on peut envoyer et recevoir des signaux vers et depuis des endroits éloignés sur Terre. Mais les phénomènes météorologiques spatiaux peuvent déformer la haute atmosphère, ce qui perturbe le procédé et interrompt les communications longue portée.

  Les projets suivants explorent les effets des phénomènes météorologiques spatiaux sur notre capacité à faire réfléchir les signaux radio sur la haute atmosphère.

  • 8. Suivre les réflexions des signaux radio pour prévoir les interruptions

    Modèle empirique de la propagation des ondes courtes dans l'ionosphère des hautes latitudes

    L'équipe de recherche suit les réflexions radio au-dessus de l'Arctique canadien avec des radars pour aider à prévoir les interruptions des signaux radio dues aux phénomènes météorologiques spatiaux.

    Équipe de recherche

    • Kathryn McWilliams, Université de la Saskatchewan (chercheuse principale)
    • Jean-Pierre St-Maurice, Université de la Saskatchewan

  • 9. Étudier les ondes radio transmises avec les radars terrestres au satellite CASSIOPE

    Études avec des récepteurs radio de la propagation transionosphérique

    Les chercheurs étudient les ondes radio envoyées par les radars au sol jusqu'au satellite CASSIOPE. En suivant les ondes qui traversent la haute atmosphère, ils peuvent déduire celles qui ont été réfléchies vers le sol.

    Équipe de recherche

    • Glen Hussey, Université de la Saskatchewan (chercheur principal)
    • Kathryn McWilliams, Université de la Saskatchewan
    • Alexandre Koustov, Université de la Saskatchewan
    • Andrew Yau, Université de Calgary
    • Gareth Perry, Institut de technologie du New Jersey

  • 10. Comprendre l'effet de l'espace sur l'utilisation des liaisons radio

    Déduction de la densité électronique de la région D

    Les scientifiques cartographient l'absorption des ondes radio à travers le Canada à l'aide d'un réseau de récepteurs radio – des riomètres – afin d'étudier l'effet des phénomènes météorologiques spatiaux sur l'utilisation des liaisons radio.

    Équipe de recherche

    • Christopher Cully, Université de Calgary (chercheur principal)
    • Emma Spanswick, Université de Calgary
    • Robyn Fiori, Ressources naturelles Canada

  • 11. Combler les écarts dans les mesures de la densité électronique de la haute atmosphère

    Assimilation des données CHAIM de SuperDARN

    L'équipe de projet jette un second regard sur les signaux radar généralement écartés et comble ainsi certains écarts dans les mesures existantes de la densité électronique de la haute atmosphère.

    Équipe de recherche

    • David Themens, Université du Nouveau-Brunswick (chercheur principal)
    • Thayyil Jayachandran, Université du Nouveau-Brunswick
    • Kathryn McWilliams, Université de la Saskatchewan
    • Chris Watson, Université du Nouveau-Brunswick
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  Interruptions du système de localisation GPS

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  Les récepteurs GPS utilisent des signaux envoyés par des satellites. Les changements de densité d'électrons dans la haute atmosphère, qui peuvent être causés par de fortes tempêtes géomagnétiques, peuvent altérer ces signaux en route vers le sol et interrompre le service GPS.

  Les projets suivants examinent quand, comment et pourquoi les phénomènes météorologiques spatiaux provoquent ces interruptions.

  • 12. Prévoir la fiabilité des services de GPS dans le Nord

    Prévision des irrégularités du plasma dans l'ionosphère polaire

    Les chercheurs développent un modèle de prévision pour aider à prévoir la fiabilité du service de localisation GPS dans le Nord.

    Équipe de recherche

    • Chris Watson, Université du Nouveau-Brunswick (chercheur principal)
    • Thayyil Jayachandran, Université du Nouveau-Brunswick
    • David Themens, Université du Nouveau-Brunswick
    • Anton Kashcheyev, Université du Nouveau-Brunswick
    • Gareth Perry, Université du Nouveau-Brunswick

  • 13. Prévoir les distorsions de la densité électronique qui peuvent interrompre les signaux du système GPS

    Modèle d'assimilation pour l'imagerie ionosphérique

    Les scientifiques cartographient et suivent la densité des électrons dans la haute atmosphère au-dessus du Canada pour aider à prévoir les distorsions qui peuvent interrompre les signaux du système GPS.

    Équipe de recherche

    • Susan Skone, Université de Calgary (chercheuse principale)
    • Emma Spanswick, Université de Calgary
    • Robyn Fiori, Ressources naturelles Canada