Chasse aux sylphes et aux elfes sur l’ISS

Première image en couleur de sylphes rouges et de jets bleus.
25 avril 2004

Le séjour d’un astronaute européen à bord de la Station spatiale Internationale (ISS) est une opportunité exceptionnelle de mettre à profit les expériences embarquées lors des missions précédentes.

Figure ainsi au programme de la mission DELTA, avec l’astronaute néerlandais André Kuipers, une expérience française pour traquer d’intrigants phénomènes atmosphériques : les sylphes et les elfes.

Depuis les origines, l’humanité a été fascinée par les phénomènes orageux et leurs manifestations dans la très basse atmosphère, comme la foudre, qui joue un rôle majeur dans les mythologies du monde entier.

En imaginant des forces fabuleuses se déchaînant dans les cieux au-delà des nuages d’orages, les anciens n’étaient pas si éloignés de la réalité, car si ces régions encore mal connues de l’atmosphère ne sont pas le royaume de Zeus et d’Héphaïstos, elles sont celui des sylphes et des elfes.

Le phénomène connu sous le nom de « sylphes rouges » (en anglais « sprites ») a été découvert en 1989 et se présente sous la forme d’émissions lumineuses rouges apparaissant au-dessus des orages dans l’atmosphère moyenne et supérieure. Ces sylphes se développent du sommet des nuages jusqu’à des altitudes de l’ordre de 100 km et s’étendent sur des distances horizontales pouvant varier de 1 à 50 km. Leur durée varie de 10 à 300 ms. Ils apparaissent souvent en groupe et peuvent s’accompagner d’autres types d’émissions : les elfes et les jets bleus qui, comme les sylphes, ne peuvent être observés que sur l’horizon depuis les plus hauts sommets montagneux ou depuis les orbites basses.

L’expérience LSO (Lightning and Sprite Observation), au programme de la mission DELTA, s’attache à leur étude.

Deux caméras pour scruter l’envers des orages

Lightning and sprite observation (LSO)
Sylphes et elfes

« Les elfes apparaissent sous forme de disques à la base de l’ionosphère à des altitudes de l’ordre de la centaine de kilomètre », explique Elisabeth Blanc du Laboratoire de Détection et de Géophysique du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), investigateur principal de LSO. « Ils s’étendent alors radialement, à l’horizontale, sur plusieurs centaines de kilomètres à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce sont des phénomènes plus courts que les sylphes, ils durent quelques millisecondes. Les jets bleus sont des émissions lumineuses coniques qui apparaissent du sommet des nuages jusqu’à environ 50 km d’altitude ».

Développée en un temps record par le Département Analyse Surveillance Environnement (DASE) du CEA, l'expérience LSO est à bord de l’ISS depuis plusieurs années puisqu’elle y a été installée lors de la mission Andromède de Claudie Haigneré (21 au 31 octobre 2001). Elle se compose de deux micro-caméras numériques pilotées par un ordinateur portable. L'une de ces caméras est équipée d'un filtre adapté à l'observation des sylphes, tandis que l'autre est chargée d’observer les éclairs dans le spectre visible. Ces deux caméras sont fixées sur un hublot pointant vers le nadir pour des périodes de 5 jours, lorsque la stabilisation de l’ISS le permet, et elles sont actionnées pendant la nuit au-dessus des continents, les orages étant plus rares sur les océans.

Quelques exemples d'événements enregistrés par l'expérience LSO.

Des mesures sont aussi effectuées par les équipages permanents de l’ISS et les disquettes de données collectées sont ramenées sur Terre à chaque vol. L’expérience LSO fait partie des missions traditionnelles des astronautes européens : elle était également au programme de Frank de Winne lors de la mission Odissea (30 octobre au 10 novembre 2002) et de Pedro Duque lors de la mission Cervantes (18 au 28 octobre 2003).

L’un des objectifs de LSO est de déterminer l’énergie émise par ces phénomènes et de fournir des données statistiques sur leur fréquence d’apparition et leur distribution globale afin d’identifier les mécanismes du couplage entre l’atmosphère, l’ionosphère et la magnétosphère au-dessus des orages atmosphériques qui leur donnent naissance. Les régions de l’atmosphère dans laquelle se produisent ces phénomènes jouent un rôle important dans la vie de notre planète et de ses habitants puisque c’est à l’intérieur de celles-ci que s’effectue le filtrage des rayonnements solaires par la couche d’ozone. De plus, l’ionosphère sert également de support aux radiocommunications.

Sur l’ISS pour préparer un satellite

Group of sprites
Groupe de sylphes observés depuis l'observatoire du Pic du Midi.

« LSO est une expérience pionnière, souligne Elisabeth Blanc. Les observations précédentes se faisaient à l’horizon, nous sommes les premiers à observer au nadir ».

« Une expérience comme LSO illustre bien l’intérêt de la Station Spatiale Internationale comme plate-forme pour des expérimentations préliminaires afin de définir les besoins pour un futur système embarqué sur un satellite », renchérit Marc Heppener, responsable scientifique de la mission DELTA à l’ESA. « Nous n’en sommes encore qu’aux débuts de l’étude de ces phénomènes et il est important de profiter de chaque occasion de vol pour collecter davantage de données ».

L’expérience acquise permettra ainsi de valider le concept du microsatellite Taranis (Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIngs and Sprites) étudié par le CEA et le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), en collaboration avec des laboratoires du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), des Etats-Unis et du Danemark. Il combinera des observations électromagnétiques radio, optiques, X et gamma, et des observations de particules à haute énergie. Ce vaste spectre d’étude constitue un ensemble indispensable estime Elisabeth Blanc :

« Le mécanisme des sylphes est encore très mal connu, il pourrait être lié à des avalanches d’électrons relativistes, d’une énergie supérieure à 1 MeV, déclenchées à travers la stratosphère et la mésosphère par les rayonnements cosmiques. Ces faisceaux d’électrons pourraient interagir avec les molécules d’air et produire des rayonnements X et gamma secondaire. Pour mieux comprendre ces phénomènes, il faudra donc être capable de les observer au plus près, et cela nécessite un satellite ».

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Marc Heppener
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