6 Octobre 2014

Mission

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objectifs scientifiques

La mission Swarm a pour objectif de procéder à l'étude la plus complète jamais entreprise du champ magnétique et de l'environnement ionosphérique terrestres. Cette constellation de trois satellites doit mesurer l'intensité, la direction et les variations du champ magnétique terrestre, et de manière complémentaire, le champ électrique, la densité et les vents thermosphériques.

Les principaux objectifs sont de mieux caractériser et comprendre :

  • le champ magnétique principal et le mécanisme dynamo par lequel il est engendré dans le noyau de la Terre,
  • la dynamique du noyau et la façon dont celui-ci interagit avec le manteau,
  • les sources aimantées du champ magnétique lithosphérique,
  • les hétérogénéités de la conductivité électrique dans le manteau,
  • les courants électriques circulant dans l'ionosphère et la magnétosphère, et l'influence du Soleil sur ces derniers,
  • le rôle du champ magnétique et des couplages entre l'ionosphère et la magnétosphère dans l'apport d'énergie dans la thermosphère,
  • le signal magnétique produit par les marées et courants océaniques.

En outre, les données d'orbitographie et d'accélérométrie permettront d'améliorer notre connaissance du champ de gravité terrestre. Swarm est la première mission de ce type constituée de plusieurs satellites. Elle prend la relève du satellite allemand CHAMP (2000-2010), qui embarquait une instrumentation comparable, et du satellite danois Ørsted, lancé en 1999, dont le magnétomètre scalaire continue de fournir des données.
Ces données, de même que celles des observatoires magnétiques qui enregistrent les variations du champ à travers le monde, permettront de mieux encore tirer parti de la mission Swarm, notamment pour ce qui concerne l'évolution à long terme du champ principal.

Discerner et comprendre les différentes sources du champ magnétique terrestre

Pour bien étudier le champ magnétique terrestre, il est crucial d'adopter une stratégie d'observation, qui permette d'identifier les contributions de ses différentes sources. La constellation de trois satellites constituant la mission Swarm a été optimisée dans ce but. Il sera ainsi possible d'étudier le signal provenant du noyau, du manteau, de la lithosphère, de l'ionosphère et de la magnétosphère, et peut-être même des courants océaniques.

Champ magnetique terrestre
© ESA

Le Noyau

En étudiant le champ principal, il sera possible de "voir" la dynamique du noyau et la façon dont la géodynamo fonctionne actuellement, afin de progresser dans notre capacité à prédire l'évolution du champ principal (et donc celle de la fameuse anomalie de l'Atlantique Sud), sur peut-être quelques dizaines d'années.

Le Manteau

À partir des données de Swarm, il sera également possible de progresser dans la construction de modèles en trois dimensions de la conductivité électrique du manteau terrestre. Ces modèles sont importants pour mieux connaître la nature et l'état thermodynamique des roches constituant le manteau, en complément des informations fournies par l'étude des ondes sismiques et du champ de gravité de la Terre.

La Lithosphère

La lithosphère est l'enveloppe terrestre rigide de surface. Elle comprend la croûte terrestre et une partie du manteau supérieur. Jusqu'à une certaine profondeur, à partir de laquelle la température atteinte fait disparaître toute aimantation, les roches qui la composent sont souvent aimantées. La distribution et l'intensité de cette aimantation donnent des informations précieuses sur la géologie, l'activité tectonique et l'histoire du champ magnétique. L'analyse de l'aimantation des fonds océaniques, par exemple, a donné des éléments clés pour comprendre l'histoire de ces fonds et déterminer la séquence des inversions du champ magnétique terrestre. En analysant le signal provenant de ces sources, Swarm devrait combler les lacunes actuelles, qui empêchent encore à ce jour d'avoir une cartographie complète, à toutes les échelles spatiales, de ce signal particulièrement riche en informations.

L'ionosphère et la Magnétosphère

L'ionosphère est la partie supérieure de l'atmosphère en partie ionisée par le rayonnement ultra-violet solaire. Elle s'étend de 60 km à 800 km. De par sa nature même, l'ionosphère est donc un très bon conducteur électrique du côté jour, particulièrement en certains lieux comme le long de l'équateur magnétique. Se dilatant tous les matins et se contractant tous les soirs, elle se déplace dans le champ magnétique principal, provoquant l'apparition de courants électriques et d'un signal magnétique associé. Des courants nettement plus complexes et irréguliers, alimentés depuis la magnétosphère en suivant les lignes du champ magnétique principal, la parcourent également. Tous ces courants produisent des signaux magnétiques, parfois très intenses, que les satellites Swarm détecteront. Il en sera de même des courants électriques associés à la circulation de particules chargées dans la magnétosphère, à bien plus grande distance (typiquement 3 à 5 rayons terrestres). Pour l'identification et l'analyse des signaux produits par ces courants, la constellation adoptée pour Swarm est également très adaptée.
La présence d'un accéléromètre et les mesures in situ des caractéristiques électriques du plasma ionosphérique, permettront en outre d'étudier l'impact de ces courants en termes, par exemple, d'apport d'énergie dans la thermosphère.
Comprendre la façon dont fonctionnent les courants couplés entre l'ionosphère et la magnétosphère, et l'influence de l'activité solaire sur ces courants, constitue un défi majeur pour mieux appréhender l'environnement proche de la Terre.

Comprendre le champ magnétique est plus qu'un enjeu scientifique

Les enjeux scientifiques qui ont motivé la mission Swarm sont donc multiples et il est clair que l'étude détaillée du champ magnétique terrestre reste l'une des clés privilégiées pour étudier le système Terre dans son ensemble. Mais il importe de souligner aussi l'enjeu que constitue la nécessité de progresser vers une meilleure connaissance de ce champ, pour des applications plus larges, comme la technologie spatiale, les systèmes de navigation et de guidage, ou l'exploitation des ressources. Être capable de prédire son évolution à l'échelle de la durée des systèmes exposés aux forts orages magnétiques (comme les lignes de haute tension) ou aux rayonnements (comme les satellites) est aussi un enjeu, d'autant que l'anomalie de l'Atlantique Sud continue de s'étendre et de se creuser. Ceci permettrait en effet d'adopter des mesures de précaution et de développer les technologies adaptées.

Pour en savoir plus sur le magnétisme de la Terre, voir les sites suivants :

Une constellation de satellites

La mission SWARM est constituée d'une constellation de 3 satellites semblables destinés à étudier le champ magnétique terrestre.

Pour optimiser l'utilisation des 3 satellites et obtenir les résultats voulus avec la mission SWARM la constellation de satellites sera répartie comme telle :

  • 2 satellites volant côte à côte (séparation en longitude à l'équateur de l'ordre de 150 km) en orbite polaire basse à une altitude de 460 km en début de vie, suivant une inclinaison de 87,35°.
  • 1 satellite en orbite polaire haute à une altitude de 530 km en début de vie, suivant une inclinaison de 87,95°.
  • 2 plans orbitaux avec deux inclinaisons quasi-polaires permettant une dérive de l'heure locale.
  • Couverture quasi-globale.

 SWARM ASWARM BSWARM C
Type d'orbiteNon héliosynchrones, quasi polaires, quasi circulaires
Altitude (BOL)460 km460 km530 km
Altitude (EOL)~ 300 km~ 300 km~ 480 km
Excentricité~ 0~ 0~ 0
Inclinaison (BOL)87,35°87,35°87,95°
RAANXX + 1,4°Y

Swarm en chiffres

3 satellites identiques
Dimensions : 9,1 mètres de long (y compris le mât déployable de 4 mètres), 1,5 mètre de large, 0,85 mètre de haut.
Masse totale de chaque satellite : 473 kg au lancement.
Durée nominale de la mission : 4 ans.
Orbite : Les satellites sont sur des orbites quasi polaires. Deux d'entre eux naviguent en tandem, passant naturellement d'une altitude de 460 km initialement à 300 km en fin de mission. Le troisième, à une altitude initiale de 530 km, sera sur une orbite qui produira une dérive relative de l'heure locale.
Charge Utile : Magnétomètre vectoriel (VFM) couplé à une caméra stellaire (STR), magnétomètre scalaire absolu (ASM), Instrument champ électrique (EFI), accéléromètre (ACC), rétro-réflecteur laser (LRR) et GPS.
Consommation : instruments : 50 W, plateforme : 140 W
Volume de données fourni par jour et par satellite : 1,8 Gbit
Capacité de stockage des données : 2 x 16 Go
Coût de la mission (ESA) : 229,6 millions d'euros
Coût complet de la participation française : 22,3 millions d'euros