Comment la NASA repère les tempêtes géomagnétiques potentiellement catastrophiques avant qu’elles ne frappent

Un récent lot de cubesats à diffusion Internet Starlink de SpaceX a rencontré une tragédie le 3 février lorsqu’une cohorte de 49 membres des satellites nouvellement lancés a rencontré une forte tempête géomagnétique en orbite.

« Ces tempêtes provoquent un réchauffement de l’atmosphère et une augmentation de la densité atmosphérique à nos basses altitudes de déploiement. En fait, le GPS embarqué suggère que la vitesse d’escalade et la gravité de la tempête ont entraîné une augmentation de la traînée atmosphérique jusqu’à 50% supérieure à celle des lancements précédents », a écrit SpaceX dans une mise à jour de blog mercredi dernier. « L’équipe Starlink a commandé les satellites dans un mode sans échec où ils voleraient sur le bord (comme une feuille de papier) pour minimiser la traînée. » Malheureusement, 40 des satellites ne sont jamais sortis du mode sans échec et, à la date de l’annonce de mercredi, devraient, s’ils ne l’ont pas déjà fait, tomber dans l’atmosphère terrestre.

Bien que cet incident ne constitue qu’un revers mineur pour SpaceX et son objectif d’ensevelir la planète avec plus de 42 000 des dispositifs de rebond de signal, les orages géomagnétiques constituent une menace permanente pour l’infrastructure électrique mondiale – interrompant les signaux de diffusion et de télécommunications, endommageant les réseaux électriques , perturbant les systèmes de navigation mondiaux, tout en exposant les astronautes et les passagers des compagnies aériennes à des doses dangereuses de rayonnement solaire.

La NOAA définit les tempêtes géomagnétiques comme « une perturbation majeure de la magnétosphère terrestre qui se produit lorsqu’il y a un échange très efficace d’énergie du vent solaire dans l’environnement spatial entourant la Terre ». Les vents solaires, composés de plasma et de particules à haute énergie, sont éjectés des couches coronales les plus externes du Soleil et portent la même charge que le champ magnétique du Soleil, orienté soit au Nord, soit au Sud.

Lorsque ce vent solaire chargé frappe la magnétosphère terrestre – plus s’il est particulièrement énergétique ou s’il porte une polarisation sud – il peut provoquer une reconnexion magnétique de la magnétopause diurne. Ceci, à son tour, accélère le plasma dans cette région le long des lignes de champ magnétique de l’atmosphère vers les pôles de la planète où l’énergie ajoutée excite les atomes d’azote et d’oxygène pour générer l’effet d’aurore boréale. Cette énergie supplémentaire fait également osciller la magnétosphère elle-même, créant des courants électriques qui perturbent davantage les champs magnétiques de la région – qui constituent tous des orages magnétiques.

« Les tempêtes entraînent également des courants intenses dans la magnétosphère, des changements dans les ceintures de rayonnement et des changements dans l’ionosphère, notamment le réchauffement de l’ionosphère et de la région de la haute atmosphère appelée thermosphère », note la NOAA. « Dans l’espace, un anneau de courant vers l’ouest autour de la Terre produit des perturbations magnétiques au sol. »

Fondamentalement, lorsque le Soleil crache un souffle massif de vent solaire, il voyage à travers l’espace et heurte la coquille magnétique de la Terre où toute cette énergie s’infuse dans le champ magnétique de la planète, provoquant un chaos électrique tout en créant un tas d’atomes dans les parties supérieures de l’atmosphère s’agite de la bonne manière pour créer un spectacle de lumière. Contemplez la majesté de notre cosmos, l’équivalent céleste d’un rot humide du slob à côté de vous au bar.

Les éruptions solaires se produisent à une fréquence variable selon l’endroit où se trouve le Soleil dans son cycle solaire de 11 ans, moins d’une se produisant chaque semaine pendant les minimums solaires à plusieurs éruptions quotidiennes pendant la période maximale. Leurs intensités oscillent de manière similaire, bien que si la tempête électromagnétique de 1859 – le plus grand événement de ce type jamais enregistré, surnommé l’événement Carrington – devait se produire aujourd’hui, ses dommages aux systèmes de satellites et de télécommunications de la Terre seraient estimés à des billions de dollars américains, nécessitant des mois sinon des années de réparations à défaire. L’événement a poussé les aurores boréales du Nord aussi loin au sud que les Caraïbes et a alimenté les lignes télégraphiques au point de combustion. Une tempête similaire en mars 1989 n’était que troisième aussi puissante que Carrington, mais elle a quand même réussi à se redresser faire fondre un transformateur électrique au New Jersey ainsi que de couper le réseau électrique du Québec en quelques secondes, bloquant 6 millions de clients dans le noir pendant neuf heures jusqu’à ce que l’équipement du système puisse être vérifié et réinitialisé séquentiellement.

Même lorsqu’ils n’électrocutent pas les opérateurs télégraphiques ou ne démolissent pas les réseaux électriques, les orages géomagnétiques peuvent causer toutes sortes de ravages dans nos systèmes électriques. Les courants induits géomagnétiquement peuvent saturer les noyaux magnétiques des transformateurs de puissance, provoquant une augmentation de la tension et des courants circulant dans leurs bobines, entraînant des surcharges. Les changements dans la structure et la densité de l’ionosphère terrestre dus aux tempêtes solaires peuvent perturber et carrément bloquer les transmissions radio haute fréquence et ultra haute fréquence par satellite. Les systèmes de navigation GPS sont également susceptibles d’être perturbés lors de ces événements.

« Une tempête solaire dans le pire des cas pourrait avoir un impact économique similaire à un ouragan de catégorie 5 ou à un tsunami », a déclaré le Dr Sten Odenwald du Goddard Space Flight Center de la NASA, en 2017. « Il y a plus de 900 satellites en état de marche avec un remplacement estimé. valeur de 170 milliards de dollars à 230 milliards de dollars, soutenant une industrie de 90 milliards de dollars par an. Un scénario a montré qu’une « super tempête » coûterait jusqu’à 70 milliards de dollars en raison d’une combinaison de satellites perdus, de perte de service et de perte de profit.

Plus important encore pour SpaceX, les tempêtes solaires peuvent augmenter la quantité de traînée exercée par les bords supérieurs de l’atmosphère lors du passage des engins spatiaux. Il n’y a pas beaucoup d’atmosphère en orbite terrestre basse où résident l’ISS et la majorité des satellites, mais il y en a suffisamment pour provoquer une traînée notable sur les objets qui passent. Cette traînée augmente pendant la journée, car l’énergie du Soleil excite les atomes dans les régions inférieures de l’atmosphère, les poussant plus haut dans le LEO et créant une couche de densité plus élevée que les satellites doivent traverser. Les tempêtes géomagnétiques peuvent exacerber cet effet en produisant de fortes augmentations à court terme de la température et de la densité de la haute atmosphère.

« Il n’y a que deux Naturel des catastrophes qui pourraient avoir un impact sur l’ensemble des États-Unis », a déclaré Gabor Toth, chercheur à l’Université du Michigan, dans un communiqué de presse en août dernier. « L’un est une pandémie. Et l’autre est un événement météorologique spatial extrême.

« Nous avons tous ces atouts technologiques qui sont en danger », a-t-il poursuivi. « Si un événement extrême comme celui de 1859 se reproduisait, cela détruirait complètement le réseau électrique et les systèmes de satellites et de communication – les enjeux sont beaucoup plus importants. »

Afin de prolonger le temps entre une éruption solaire et les vents qui en résultent claquant dans notre magnétosphère, Toth et son équipe ont travaillé pour développer la version 2.0 du modèle géospatial (ce que la NOAA utilise actuellement) à l’aide d’un ordinateur de pointe. les systèmes d’apprentissage et les schémas d’analyse statistique. Avec lui, les astronomes et les opérateurs de réseaux électriques disposent d’à peine 30 minutes d’avertissement préalable avant que les vents solaires n’atteignent la planète – juste assez de temps pour mettre les systèmes électriques vitaux en mode veille ou atténuer l’impact de la tempête.

L’équipe de Toth s’appuie sur les données de rayons X et UV « d’un satellite mesurant les paramètres du plasma à un million de kilomètres de la Terre », a-t-il expliqué, afin de repérer les éjections de masse coronale au fur et à mesure qu’elles se produisent. « A partir de là, nous pouvons exécuter un modèle et prédire l’heure d’arrivée et l’impact des événements magnétiques », a déclaré Toth.

La NASA a développé et lancé un certain nombre de missions ces dernières années pour mieux prédire le comportement tumultueux de notre étoile locale. En 2006, par exemple, l’agence spatiale a lancé la mission STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory) dans laquelle une paire d’observatoires a mesuré le « flux d’énergie et de matière » du Soleil vers la Terre. Actuellement, la NASA travaille sur deux autres missions – Multi-slit Solar Explorer (MUSE) et HelioSwarm – pour mieux comprendre la connexion Soleil-Terre.

« MUSE et HelioSwarm fourniront un aperçu nouveau et plus approfondi de l’atmosphère solaire et de la météo spatiale », a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé pour la science à la NASA, dans un communiqué de presse de février. « Ces missions non seulement étendent la science de nos autres missions d’héliophysique, mais elles offrent également une perspective unique et une nouvelle approche pour comprendre les mystères de notre étoile. »

MUSE vise à étudier les forces qui chauffent la couronne et provoquent des éruptions dans cette couche solaire. « MUSE nous aidera à combler des lacunes cruciales dans les connaissances relatives à la connexion Soleil-Terre », a ajouté Nicola Fox, directeur de la division héliophysique de la NASA. « Il fournira plus d’informations sur la météo spatiale et complétera une foule d’autres missions au sein de la flotte de missions héliophysiques. »

L’HelioSwarm, quant à lui, est en fait un ensemble de neuf engins spatiaux chargés de prendre « les premières mesures multi-échelles dans l’espace des fluctuations du champ magnétique et des mouvements du vent solaire ».

« L’innovation technique des petits satellites d’HelioSwarm fonctionnant ensemble comme une constellation offre la capacité unique d’étudier la turbulence et son évolution dans le vent solaire », a déclaré Peg Luce, directeur adjoint de la division héliophysique.

Ces efforts de recherche en cours pour mieux comprendre notre place dans le système solaire et comment être voisin avec l’énorme réacteur à fusion nucléaire dans le bloc céleste s’avéreront certainement vitaux alors que les technologies de télécommunications de l’humanité continuent de mûrir. Parce que, peu importe la dureté de nos systèmes, nous ne pouvons tout simplement pas nous permettre de répéter 1859.