L.S.O (Lightning and Sprites Observations)

Objectif

Ils apparaissent sous la forme de lueurs rouges au dessus des orages, ils s'étendent du sommet des nuages jusqu'à la base de l'ionosphère (100 km). Leur extension horizontale est de l'ordre de 50 km. De nombreuses mesures ont été effectuées à partir d'avions et plus récemment à partir du sol principalement aux USA au-dessus de systèmes orageux très importants. Les sprites apparaissent souvent en groupe et peuvent s'accompagner d'autres types d'émissions appelées blue jets et elves. Les jets apparaissent de 10 à 30 km d'altitude tandis que les elfes apparaissent sous la forme de disques à la base de l'ionosphère à des altitudes de l'ordre de la  centaine de kilomètres.

Ces émissions lumineuses s'accompagnent d'autres types de rayonnement (rayonnement X et gamma, faisceaux d'électrons de haute énergie, émissions EM) qui témoignent d'un couplage atmosphère-ionosphère-magnétosphère intense qui n'était pas soupçonné jusqu'à présent.

Les premières mesures effectuées en France au Pic du Midi ont montré que les sprites se produisaient également au-dessus de systèmes orageux modérés. Les sprites ont été observés au dessus des Alpes à des distances de l'ordre de 700 à 1000 km du point d'observation.

La compréhension des mécanismes d'émission des sprites et des phénomènes associés ainsi que de leur couplage avec l'ionosphère et la magnétosphère nécessite l'observation de l'ensemble de ces émissions et donc des mesures spatiales. Les mesures des effets lumineux depuis l'espace au Nadir présentent cependant des difficultés. Les émissions des sprites observées depuis le haut se superposent aux émissions lumineuses très intenses des éclairs intra-nuage qui peuvent saturer les capteurs.

L’objectif du projet LSO est d'étudier une méthode d’observation des sprites au Nadir. De telles observations paraissent possibles dans des bandes spectrales particulières, correspondant à des raies d'émission des sprites et à des raies d'absorption de l'atmosphère (par exemple raie d'absorption du dioxygène à 761 nm). Dans cette bande d'absorption, les émissions des sprites pourront être observées car elles se situent à une altitude suffisament élevée (40-100 km) pour être peu atténuées alors que les émissions des éclairs, qui se produisent à des altitudes plus basses (de l'ordre de 10 km), et les autres émissions possibles en provenance de la terre, seront filtrées par l'atmosphère. De telles mesures n'ont jamais été effectuées précédemment.

L'objectif scientifique principal du projet LSO est de déterminer l'énergie émise par les sprites et les elfes et de les comparer aux émissions des éclairs pendant la nuit. Les observations seront effectuées à la fois au Nadir et à l'horizon. Ces mesures doivent permettre de préciser quelles sont les conditions possibles d’observation des sprites au Nadir depuis l'espace.

L'objectif du projet est également d'effectuer des statistiques sur la fréquence des sprites et leur origine pour plusieurs heures d'observation.

Concept opérationnel

Plusieurs mesures successives sont effectuées pendant une série (8-10 heures), elles durent au maximum 40 mn (orbite de nuit). Elles sont déclenchées automatiquement à partir des données d'orbite de la station, les caméras étant pilotées par l’Ensemble de Gestion des Expériences (EGE) et le boîtier électronique associé. Le traitement des données (compression) et leur archivage est effectué automatiquement après chaque mesure.
Pendant une mesure, les deux caméras sont activées simultanément. Pour certaines expériences seule la caméra équipée d'un filtre pourra être activée pour augmenter la cadence de répétition des images. Cette cadence est de l'ordre de deux images toutes les 4 à 6 secondes. Le temps de pause est une seconde.

Matériel utilisé

Deux micro caméras sont nécessaires pour acquérir des images. La première, observant dans la totalité du spectre visible, permettra la localisation des éclairs et des foyers orageux. La seconde micro caméra, équipée d’un filtre, sera utilisée pour l'observation et la localisation des sprites.

• Micro-caméras : Les micro caméras ont été développées pour d'autres projets (ex: Rosetta) et sont fabriquées par CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique). Elles sont composées d'une matrice CDD Thomson TH 7888. Elles effectuent des images sur 1024x1024 pixels. Elles disposent de deux sorties numériques RS 422 : 10 Mbits /s avec 10 bits par pixels et 57,6 kbits/s avec 8 bits/pixels. Des images de 512x512 points seront effectuées lors de l'expérience pour augmenter la cadence de répétition des images.

• Interface électronique : Les caméras sont pilotées par un boîtier électronique relié à l’EGE par un port USB. Ce boîtier sera modifié pour l'expérience LSO de façon à améliorer la vitesse de transmission des images.

• Ensemble de Gestion des Expériences : L'expérience utilisera l’EGE mis à disposition de l’expérience par le CNES pour piloter les caméras.

• Filtres : Un filtre étroit (10 – 20 nm) a été sélectionné pour isoler le rayonnement produit par les sprites par rapport à celui des éclairs. La possibilité d’utiliser un second filtre est envisagée.

• Support de fixation des caméras : Un système simple doit permettre la fixation des micro caméras à un hublot de la station et leur orientation.

• Système d'occultation : Un système d’occultation de la lumière de la station (tissus noir) sera mis en place à l'arrière des caméras contre le hublot.