RAPPORTD’ACTIVITÉ

2023
Campagne d’été22 /23

SURVEILLANCE DU RAYONNEMENTCOSMIQUE AUX ILES KERGUELENET EN TERRE ADÉLIELa Terre est en permanence bombardée par desparticules de haute énergie – protons, ions, électrons –provenant de l’Univers. Au travers de cascades de réactions
nucléaires dans l’atmosphère de la Terre, elles créent desparticules secondaires au sol qui peuvent être détectées
par les moniteurs à neutrons. Cet article donne un aperçu
des observations réalisées grâce aux moniteurs à neutrons
des Iles Kerguelen et de Terre Adélie et de leur utilité pourla physique solaire et des applications en météorologie
de l’espace, en l’occurrence l’évaluation des doses deradiation reçues par le personnel navigant de l’aviation
civile.

PROJETS SCIENTIFIQUES

RAYCO

Nicolas Fuller (1)Karl-Ludwig Klein (1)Cyrille Blanchard (1)Sylvain Cnudde (1)Sophie Masson (2)
(1)

(2)

Laboratoire d’Etudes
Spatiales et d’Instrumentationen Astrophysique (LESIA) –Observatoire de Paris, CNRS,PSL Research University
5 Place Jules Janssen
92190 Meudon
nicolas.fuller@obspm.fr

Laboratoire de Physique desPlasmas (LPP) et Observatoirede Paris
4 place Jussieu
75005 Parissophie.masson@obspm.fr

Le rayonnement cosmique
La Terre est la cible permanente de particules chargées de haute énergie en provenance de l’Univers
qu’on appelle le rayonnement cosmique – électrons, protons, noyaux atomiques lourds. Elles proviennent
des supernovae dans notre galaxie et, lors de certaines éruptions, du Soleil.
L’Institut Polaire Français héberge deux détecteurs de rayonnement cosmique, appelés moniteurs àneutrons, aux Iles Kerguelen et en Terre Adélie. L’Observatoire de Paris assure leur exploitation scientifiquedans le cadre d’un service d’observation de l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) du CNRS etintervient sur l’instrumentation depuis 2018.

Que mesure un moniteur à neutrons ?
Un proton ou noyau atomique de haute énergie
heurtant un atome de l’atmosphère terrestre casse lenoyau qui éjecte des particules secondaires, notamment des protons et neutrons. Certaines (P, N dans leschéma de la Fig. 1) ont une énergie suffisante pourreproduire ce processus avec d’autres noyaux, plus
bas dans l’atmosphère. Une cascade d’interactions
nucléaires s’établit qui atteint le sol si l’énergie de laparticule primaire est d’au moins 450 MeV 1, correspondant à une vitesse de 74% de celle de la lumière.
Les moniteurs à neutrons sont composés detubes de comptage entourés de plomb, où lesparticules secondaires produisent des neutrons
supplémentaires (Fig. 1). Ces neutrons interagissent
avec le gaz contenu dans le tube de comptage en
produisant des ions, qui eux-mêmes produisent desélectrons libres qui sont détectés par l’électroniquede mesure. Le nombre d’impulsions électriquesrésultant de ce processus mesure le flux de particules
primaires qui impactent la haute atmosphère
terrestre.

Figure 1 : Schéma d’une
cascade de particules
dans l’atmosphère de laTerre et de la détection
par un moniteur àneutrons. En haut àgauche: le moniteur auxIles Kerguelen lors detravaux de maintenancean Avril 2023. Dessin S.
Cnudde, Obs. Paris.

1

1 MeV (mega-électron-Volt) = 1,6 10-13 Joule
1 GeV (giga-éléctron-Volt) = 103 MeV

1213

Le champ magnétique terrestre filtre lesrayons cosmiques en fonction de leur énergie.
A proximité des pôles géomagnétiques, ils
atteignent l’atmosphère le long des lignes
de champ magnétique. A l’équateur, leslignes de champ sont perpendiculaires au
trajet et ne laissent passer que les particulesd’une énergie supérieure à 10 GeV. Lesmoniteurs à neutrons à différents points surla Terre voient donc différentes gammesd’énergie.
Leur mise en réseau permet de mesurer
le spectre d’énergie des rayons cosmiques
et la direction d’arrivée, ce qui fait de lacinquantaine de moniteurs du réseau
mondial un seul instrument bien plus
puissant que les moniteurs individuels.
La plupart, dont les moniteurs français,fournissent leurs observations à la basede données NMDB à l’Université de Kiel(Allemagne). Elle a été construite avec un
financement de l’Union Européenne en
2008-09 et s’est étendue au niveau mondial
depuis (www.nmdb.eu).

Le flux des particules secondaires constitue une
irradiation dans l'atmosphère, qui diminue quand
l’altitude décroît. Au sol, la radioactivité naturelle ainsi que
les radiographies médicales représentent la plus grandepartie de l’exposition aux rayonnements ionisants.
Depuis 2019, l'organisation de l'aviation civile
internationale (OACI) a établi un service mondial
opérationnel de météorologie de l'espace. La France yparticipe par un consortium constitué de Météo France etdes sociétés ESSP (European Satellite Services Provider)et CLS (Collecte Localisation Satellites) à Toulouse. CLSutilise les outils que nous avons développés dans le cadrede SIEVERT et adaptés afin de fournir des alertes lorsqueles doses de radiation dans l’atmosphère augmentent
brusquement. Ce suivi repose sur les mesures desmoniteurs à neutrons fournies par le réseau NMDB. Des
cartes quotidiennes des débits de dose (Figure 2) sontaussi disponibles via les sites web publiques :À l’altitude des vols de l’aviation
civile, aux alentours de 12 km, ladose biologique engendrée par les
rayons cosmiques est prédominante.
Pour cette raison, chaque membre
du personnel navigant européen
doit bénéficier d’une surveillancespécifique, afin de limiter son
exposition.
Le système SIEVERT, développé
par la Direction Générale del’Aviation Civile (DGAC), l’Institutde Radioprotection et de Sûreté
Nucléaire (IRSN) et l’Observatoire deParis, évalue les doses de radiationa posteriori pour les compagniesfrançaises.

▶ https://previ.obspm.fr/airdosrt/airdos_RT.php▶ http://www.meteo-espace.fr/forecasts/fr
Figure 2 : Cartejournalière du débit
de dose, à une
altitude de l’aviation
civile, produite parle rayonnement
cosmiquegalactique en
période de faibleactivité solaire.
https://previ.obspm.
fr/airdosrt/airdos_RT.php

Figure 4 : Profilstemporels
normalisés desévènements
solaires détectésavec les moniteurs
à neutrons depuis
1971 (a) et le profil
médian, avec
un ajustement(en rouge) par
une fonction
mathématique (b).

Pour voir si c’est le cas général, nous avons examiné avec Sophie Musset,
chercheuse à l’Agence Spatiale Européenne (ESA), tous les évènements solaires
observés depuis 1971 avec une amplitude d’au minimum 10% au-dessus duniveau du rayonnement cosmique permanent. La Figure 4a montre qu’à une
exception près, les profils normalisés se ressemblent. Dans ce cas exceptionnel,
des particules revenant de l’espace interplanétaire lointain, réfléchies parune perturbation du champ magnétique, s’ajoutaient au profil observé. Nous
pouvons donc bien conclure que ces évènements solaires à particules ont unprofil normalisé type. La Figure 4b montre le profil médian, avec en rouge une
fonction mathématique qui représente bien la partie décroissante.
Le Soleil semble donc accélérer les particules de très haute énergie de façon
à produire des évènements longs quand la montée est longue et courte quandla montée est courte – la montée elle-même pouvant varier de moins de 10
minutes à plus de 3 heures, selon l’évènement. Une autre explication serait
que la propagation entre le Soleil et la Terre, dans les champs magnétiques
fluctuants de l’espace interplanétaire, uniformise tous les profils. La questionn’est pas tranchée. Ce résultat a aussi une application potentielle pour lamétéorologie de l’espace: dès que le taux de comptage des moniteurs àneutrons aura dépassé son maximum lors d’un évènement en cours, le profil
médian, adapté à l’évènement, nous permettra d’estimer la durée pendantlaquelle les doses resteront élevées.

Recherche astrophysiqueparticules solaires de haute énergie
Le Soleil accélère des électrons, protons et ions lorsque l’énergie emmagasinée dans le champmagnétique de la couronne solaire est libérée de façon explosive. Les protons solaires que nous détectons
avec un moniteur à neutrons ont plusieurs millions de fois l’énergie moyenne de ceux de la couronne solaire.
Il s’agit d’identifier les mécanismes physiques qui engendrent un si gros gain en énergie. L’étude des profils
temporels des évènements solaires vu par les moniteurs à neutrons contribue à notre compréhension deces mécanismes et à ceux de la propagation des particules dans le milieu interplanétaire.

14Figure 3 : Profils
temporels enregistréspar différents moniteurs
à neutrons (différentescouleurs) lors de deuxévènements solaires àparticules.

PROJETS SCIENTIFIQUES

Météorologie de l'espace

Les profils de deux évènements solaires sont tracés sur laFigure 3. Pour chaque moniteur la courbe est différente car,selon sa localisation, il est sensible à une direction particulière depropagation des particules. Celui qui voit la montée la plus rapide
et l’amplitude la plus grande détecte les particules arrivant le long
du champ magnétique interplanétaire. Les deux évènements
semblent similaires: une montée rapide, puis une décroissancelente, avec quelques différences autour du maximum. Mais lesaxes de temps sont différents – 5 heures en (a), 20 heures en (b).
La similitude de forme se révèle quand on utilise une échelle detemps normalisée à la durée de l’évènement.

15

PROJETS SCIENTIFIQUESLes moniteurs à neutrons deKerguelen et Terre Adélie :deux instruments clefs duréseau internationalété remplacés. Une étude visant à renouvelerl’électronique de comptage par un système auxfonctionnalités élargies est en cours.

Les moniteurs à neutrons ont été conçus dansles années 1950-1965. L'implantation à Kerguelen
date de 1957, celle en Terre Adélie de 1967. De
par leurs emplacements, ils occupent des points
stratégiques du réseau mondial : peu de terresémergés aux alentours de Kerguelen, proximitédu pôle magnétique en Terre Adélie. Leurs séries
temporelles font également parti des plus longuesexistantes.

L’objectif de l’ensemble de ces opérations est defiabiliser les moniteurs pour les années à venir. Car,malgré leur âge, les moniteurs à neutrons restentl'équipement standard pour mesurer les particulesles plus énergétiques que le Soleil est capabled'accélérer. Ils sont à ce titre un complément
essentiel des mesures depuis les sondes spatiales
aux plus basses énergies, comme actuellement
Solar Orbiter (ESA) et Parker Solar Probe (NASA).
L’intérêt renouvelé pour les moniteurs à neutrons,
dans le cadre de la météorologie de l’espace etde la physique solaire, leur garantit une utilité
sociétale et scientifique pour de nombreuses
années encore. La collaboration entre l'Institutpolaire français et l'Observatoire de Paris resteessentielle pour assurer la contribution française à
ces recherches et services.

Ces dernières années, l'Observatoire de Paris(LESIA) a joué un rôle actif dans la maintenancedes moniteurs. En 2021 et 2023 deux missions
ont été réalisées avec pour objectif premier degarantir l’étanchéité des tubes de comptage visà-vis du gaz qu’ils contiennent. Des mesures ont
été effectuées afin de s’assurer de l’état de santédes moniteurs et deux tubes de comptage ont

Remerciements : Les auteurs remercient l'Institut
polaire français et son personnel, ainsi que lesvolontaires du service civique qui assurent le suivi
des instruments à Kerguelen et Terre Adélie, pourle soutien qu'ils apportent depuis de nombreuses
années au programme RAYCO.

Références bibliographiques:Musset S., Klein K.-L., Fuller N., Khreich G.,
Wargnier A., The time profile of relativistic
solar particle events as observed byneutron monitors,
J. Space Weather Space Clim. 2023, 13,
15, https://doi.org/10.1051/swsc/2023016
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