TARANIS

TARANIS est un satellite basse altitude du CNES dédié à l'étude des transferts impulsifs d'énergie entre l'atmosphère et le proche environnement spatial qui se produisent au dessus des zones orageuses.

Taranis est le dieu du ciel, de la foudre et du tonnerre dans la mythologie celtique gauloise. TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiation from lightNIng and Sprites) est un satellite CNES basse altitude dédié à l’étude des transferts impulsifs d’énergie qui se produisent au-dessus des orages entre l’atmosphère terrestre et l’environnement spatial . TARANIS sera lancé en 2020. Le LPC2E est en charge de la coordination scientifique du projet et de la coordination technique de la charge utile scientifique.

L’existence de transferts impulsifs d’énergie au-dessus des orages a été mise en évidence au début des années 90. Il s’agit, d’une part, de phénomènes lumineux transitoires regroupés sous le terme générique de TLE (Transient Luminous Events) et, d’autre part, de bouffées de rayonnement Gamma terrestre appelées TGF (Terrestrial Gamma ray Flashes). Les TLE ont été observés pour la première fois depuis le sol puis à partir de l’espace par la Station Spatiale Internationale et le satellite FORMOSAT-2. Les premières détection de TGF ont été effectuées par les satellites CGRO, RHESSI, FERMI et AGILE.

Vue d'artiste de TARANIS. Crédit image CNES.
Vue d’artiste de TARANIS. Crédit image CNES.

Afin de répondre aux nombreuses questions toujours en suspens concernant la physique et les impacts de ces phénomènes, l’instrumentation scientifique de TARANIS effectuera un ensemble de mesures sans précédent :

La mesure simultanée et à haute résolution au Nadir : des TLE et de leur éclair parent, des TGF avec localisation des sources d’émissions, des électrons relativistes ;

La mesure des électrons énergétiques en temps, pitch-angle et énergie afin : d’identifier les faisceaux d’électrons associés aux TGF et les faisceaux d’électrons précipités induits par l’activité orageuse (LEP) ; de caractériser la variabilité naturelle et induite par l’activité humaine des ceintures de radiations.

La mesure des émissions électromagnétiques dans la gamme de fréquence allant du continu jusqu’à 35 MHz afin d’identifier les signatures radios associées aux TLE et TGF ainsi que le champ quasi-électrostatique associé aux nuages d’orage.

TARANIS science

Profil de la mission TARANIS

TARANIS est un satellite stabilisé trois axes de la famille des microsatellites Myriade du CNES. Le volume de la plateforme est d’environ 1 m3. Le  poids total est d’environ 180 kg dont 36 kg pour l’instrumentation scientifique. Les sous-systèmes embarqués  comportent entre autres une mémoire de masse d’une capacité de 16 Gbits et une télémesure en bande X à haut débit de 16.8 Mbits/s pour la transmission des données scientifiques. La durée de vie de la mission TARANIS est de deux ans avec un objectif de deux années supplémentaires. L’orbite est polaire héliosynchrone, avec une inclinaison proche de 98° et une altitude d’environ 700 km. TARANIS devrait être lancé en 2020 depuis Kourou en passager auxiliaire d’une fusée Vega. Pour des raisons de limitation de puissance, principalement de nuit, les observations scientifiques seront effectuées dans la plage de latitude géographique [-60°, +60°]. Cela permettra néanmoins de couvrir la plupart des régions où l’activité orageuse est intense et, en conséquence, où la probabilité d’observations de TLE et/ou des TGF est élevée. Le centre de données de TARANIS sera sous la responsabilité du LPC2E.

Objectifs Scientifiques

Eclairs et évènements transitoires lumineux dans la haute atmosphère. Crédit image : Sato et al., 2008.

L’observation des TLE (« sprites », « elves », « halos », « jets bleu », etc.) et des TGF a permis de mettre en évidence l’existence de transferts impulsifs d’énergie entre la haute atmosphère de la Terre et son proche environnement spatial. Les observations de l’expérience ISUAL à bord de FORMOSAT-2 ont montré que les TLE sont en fait des phénomènes courants au-dessus des zones orageuses du globe.

Distributions des elves, sprites et halos déduite des observations de l’expérience ISUAL à bord du satellite FORMOSAT-2 (Chen et al., 2008).

Les observations faites par RHESSI, AGILE et FERMI montrent que les TGF font intervenir des énergies très élevées, atteignant plus de 30 MeV. Les processus qui contribuent à ces phénomènes et les conséquences potentielles sur l’environnement tant électrique que chimique de la Terre sont loin d’être complètement compris. Toutefois, il est clair que les mécanismes à l’origine des TGF dépassent le seul cadre terrestre.

Distribution des TGFs déduite des observations de RHESSI faites pendant la période mars 2002 – juin 2008 (Smith et al., 2008).

Comme ils sont produits dans l’atmosphère, les TLE, les TGF, ainsi que les mécanismes physiques qui les génèrent, peuvent en affecter la constitution chimique et la dynamique. TARANIS pourra compléter les résultats des expériences au sol, en avions et en ballons : (i) en fournissant des observations simultanées au Nadir des éclairs, des TLE et des TGF, (ii) en mesurant les électrons accélérés et précipités, (iii) en fournissant des informations sur l’environnement électromagnétique.

Les questions scientifiques à traiter

TARANIS sera équipé de l’instrumentation avec les performances requises pour répondre aux questions misent en évidence par les nombreuses observations disponibles de TLE et TGF. Les objectifs scientifiques de TARANIS se répartissent suivant les catégories suivantes :

Faire progresser notre compréhension du lien entre les TLE, les TGF, les régions sources et les conditions environnementales (nombre d’éclairs, variations du plasma thermique, rayons cosmiques, etc.).

Identifier les mécanismes de génération des TLE et TGF. Identifier les évènements ondes et particules pouvant être impliqués dans les processus de génération ou produits par ces mêmes processus.

Evaluer les effets potentiels des TLE, TGF, et des bouffées d’électrons précipités et accélérés (en particulier les LEP et les terrestrial electron beams) sur l’atmosphère de la Terre et sur les ceintures de radiations.

La charge utile scientifique de TARANIS

Pour atteindre les objectifs scientifiques de la mission TARANIS, les instruments de la charge utile scientifique sont :

MCP (MicroCameras et Photomètres) : un jeu de deux caméras (une pour les sprites et une pour les éclairs) et les analyseurs correspondants. Plus un jeu de quatre photomètres et les analyseurs correspondants.

XGRE (X-ray, Gamma-Ray et Electrons relativistes) : un jeu de trois détecteurs X et γ et les analyseurs correspondants.

IDEE (Instrument Détecteurs d’Electrons Energétiques), deux détecteurs d’électrons et les analyseurs correspondants.

IME-BF (Instrument de Mesure du champ Electrique Basse Fréquence) : un capteur électrique pour le domaine des basses fréquences et l’analyseur basse fréquence (électrique et magnétique) ; IME-BF inclut également une Sonde Ionique (SI) pour déterminer les fluctuations du plasma thermique.

IME-HF (Instrument de Mesure du champ Electrique Haute Fréquence) : un capteur électrique pour les mesure dans le domaine des hautes fréquences et l’analyseur haute fréquence correspondant.

IMM (Instrument de Mesure du champ Magnétique) : un système de trois magnétomètres search-coil pour la mesure des trois composantes du champ magnétique dans le domaine des basses et moyennes fréquences et l’analyseur moyenne fréquence (électrique et magnétique) ; IMM inclut un Détecteur de Sferics (SD) pour la caractérisation à bord des whistlers.

MEXIC (Multi Experiment Interface Controller), équipement électronique pour alimenter et gérer l’ensemble de la charge utile scientifique.

Charge utile scientifique de TARANIS. Crédit image CNES.
 InstrumentsPI, affiliation
MCP Micro-camera “éclairs”
Micro-camera “TLE”
Quatre photomètres
 PI: Th. Farges, CEA (F)
XGRETrois détecteurs X et γ :
Photons : [20 keV – 10 MeV]
e relativistes : [1 MeV – 10 MeV]
PIs: P-L. Blelly, IRAP (F)
Ph. Laurent, APC (F)
IDEEDeux détecteurs d’e : [70 keV – 4 MeV]PI: P-L. Blelly, IRAP (F)
+ Univ. Prague (Cz)
IMMSearch Coil trois axes : [5 Hz – 1 MHz]
Un détecteur de 0+ whistler
PI: J-L. Pinçon, LPC2E (F)
+ Univ. Stanford (USA)
IME-BFAntennes LF-E : [DC – 1 MHz]
Une sonde ionique
PI: E. Seran, LATMOS (F)
+ GSFC (USA)
IME-HFAntennes HF-E : [100 kHz – 35 MHz]PI: J-L. Rauch, LPC2E (F)
+ Univ. Prague, IAP (Cz)
MEXICAlimentation (MPU) et gestion (MIU) de la charge utile scientifique PI: F. Colin, LPC2E (F)
+ SRC (Pl)

Contact LPC2E : jean-louis.pincon@cnrs-orleans.fr