Au nord de la Norvège au-dessus des mers de Norvège et du Groenland, une bulle magnétique connue sous le nom de cuspide entoure la Terre et plonge vers l’intérieur. Un peu d’air dans la cuspide est inhabituellement dense, et la mission CREX-2 vise à comprendre pourquoi. Crédit : Centre spatial Andøya/Trond Abrahamsen
Des choses étranges se produisent dans l’atmosphère terrestre aux hautes latitudes. Vers midi local, lorsque le Soleil est à son point culminant, un espace en forme d’entonnoir dans le champ magnétique de notre planète passe au-dessus de nous. Le champ magnétique terrestre nous protège du vent solaire, le flux de particules chargées crachant du Soleil. L’espace dans ce champ, appelé cuspide polaire, permet au vent solaire d’accéder directement à l’atmosphère terrestre.
Les signaux radio et GPS se comportent étrangement lorsqu’ils voyagent dans cette partie du ciel. Au cours des 20 dernières années, les scientifiques et les opérateurs d’engins spatiaux ont remarqué autre chose d’inhabituel lorsque les engins spatiaux traversent cette région : ils ralentissent.
Les portes des ampoules du traceur de vapeur sont ouvertes sur la charge utile CREX-2 pendant les tests au centre spatial d’Andøya. Crédit : NASA
“À environ 250 miles au-dessus de la Terre, les vaisseaux spatiaux ressentent plus de traînée, un peu comme s’ils avaient heurté un ralentisseur”, a déclaré Mark Conde, physicien à l’Université d’Alaska Fairbanks et chercheur principal pour Nasa‘s Cusp Region Experiment-2, ou CREX-2, mission de fusée-sonde. C’est parce que l’air dans la cuspide est sensiblement plus dense que l’air ailleurs dans les orbites des vaisseaux spatiaux autour de la Terre. Mais personne ne sait pourquoi, ni comment. En comprenant les forces en jeu dans la cuspide, les scientifiques espèrent mieux anticiper les changements de trajectoires des engins spatiaux.
La charge utile CREX-2 a été lancée avec succès à 3 h 25 HNE le 1er décembre 2021, depuis le centre spatial d’Andøya en Norvège. La fusée-sonde Oriole IV à quatre étages a transporté la charge utile à un apogée de 392 milles. Les rapports préliminaires indiquent que le vol a réussi et que les ampoules transportant les vapeurs ont fonctionné comme prévu. De bonnes données ont été reçues, y compris des données de l’équipe d’imagerie de la vapeur.
CREX-2 visait d’abord à en savoir plus sur la dynamique de la cuspide dans le cadre de la Initiative Grand Défi – CUSP en 2019, mais bien que tous les systèmes soient prêts pour le lancement, la mission n’a jamais décollé. Il y avait peu d’activité solaire à l’époque et, par conséquent, les conditions météorologiques spatiales n’étaient pas propices à la mission pendant la fenêtre de lancement initiale. Les COVID-19[feminine pandémie a encore reporté son vol. Maintenant, après un retard de près de deux ans, CREX-2 se prépare à nouveau à voler dans l’espoir de répondre aux questions sur la cuspide. L’équipe est optimiste; le Soleil est dans une phase plus active de sa cycle naturel cette fois-ci, augmentant les chances que les conditions météorologiques spatiales soient favorables à leur mission d’étudier une région inhabituellement dense de l’atmosphère.
Alors que la densité de l’atmosphère terrestre diminue rapidement avec l’altitude, elle reste constante horizontalement. C’est-à-dire qu’à n’importe quelle altitude donnée, l’atmosphère est à peu près la même densité autour du globe.
Sauf dans la cuspide, où 250 miles au-dessus, il y a une poche d’air environ une fois et demie plus dense que l’autre air à cette altitude. “Vous ne pouvez pas simplement augmenter la masse d’une région d’un facteur 1,5 et ne rien faire d’autre, sinon le ciel tombera”, a déclaré Conde. Quelque chose d’invisible prend en charge cette masse supplémentaire, et la mission CREX-2 vise à comprendre exactement de quoi il s’agit.
La mission est conçue pour mesurer les nombreux facteurs qui pourraient potentiellement expliquer comment l’air dense de la cuspide reste en suspension. Ensuite, a déclaré Conde, les scientifiques peuvent « essayer de déterminer lequel fait le travail ».
Une possibilité implique des effets électriques et magnétiques dans l’ionosphère, la couche de la haute atmosphère terrestre qui est ionisée par le Soleil, ce qui signifie qu’elle contient des particules chargées électriquement. L’électrodynamique pourrait soutenir indirectement l’air plus dense, ou elle peut provoquer un chauffage qui génère des vents verticaux pour maintenir l’air dense en altitude. CREX-2 dispose d’un ensemble d’instruments conçus pour mesurer ces effets.
Une autre explication pourrait être que l’air dans toute la colonne verticale de la cuspide est plus dense que son environnement. Empilé au sommet d’un air plus lourd, l’air dense à 250 milles de haut resterait flottant. Mais avoir une colonne d’air plus lourd devrait également produire des vents horizontaux ou même de type vortex, que CREX-2 est conçu pour rechercher.
Et il le fera avec style. La fusée éjectera 20 cartouches de la taille d’une canette de soda, chacune avec son propre petit moteur de fusée, dans quatre directions. Les cartouches sont programmées pour se rompre à différentes altitudes. Quand ils éclateront, ils lâcheront traceurs de vapeur — particules souvent trouvées dans les feux d’artifice qui brillent en diffusant la lumière du soleil ou lors de l’exposition à l’oxygène — dans une grille tridimensionnelle dans le ciel. Le vent va peindre le ciel avec ces nuages brillants, révélant comment l’air se déplace dans cette partie inhabituelle de l’atmosphère.
Des nuages colorés formés par la libération de traceurs de vapeur de deux fusées permettent aux scientifiques de mesurer les vents. Crédit : NASA/Lee Wingfield
Cet aspect de la mission nécessite une logistique compliquée. “C’est un assez gros jeu d’échecs”, a déclaré Condé. L’équipe a besoin de voir ces traceurs de plusieurs points de vue pour obtenir une compréhension complète des modèles de vent. Des scientifiques, dont certains étudiants diplômés, seront postés dans toute la Scandinavie pour photographier les traceurs pendant 20 à 30 minutes. Un étudiant les documentera depuis un avion volant depuis Reykjavík, en Islande, et d’autres captureront les lueurs de deux sites sur l’île norvégienne de Svalbard.
Il y a certaines conditions « Boucles d’or » nécessaires au lancement. La cuspide n’est présente que vers midi local, mais le ciel doit être sombre pour que la lueur des traceurs soit visible. C’est pourquoi CREX-2 sera lancé au milieu de l’hiver, lorsqu’il y a très peu de soleil à ces latitudes extrêmes au nord.
“Nous enfilons une aiguille”, a déclaré Condé. « Nous avons environ une heure ou deux chaque jour lorsque les conditions sont propices à la réalisation de l’expérience. » Et, au moins deux des stations ont besoin d’une vue claire des traceurs pour une collecte de données suffisante. La fenêtre de lancement de 2019 était ouverte pendant 17 jours, dont aucun ne convenait au vol de CREX-2.
“Le business des fusées est un jeu à enjeux élevés”, a déclaré Condé. « Vous passerez deux ou trois ans à développer une charge utile, mais en fin de compte, tout se résume à choisir quand appuyer sur le bouton pour capturer la science que vous voulez. » Parfois, ce moment n’arrive pas. Conde et l’équipe CREX-2 sont impatients d’avoir une autre opportunité de lancement. “Honnêtement, c’est incroyable”, a déclaré Conde. “Pour enfin essayer à nouveau – je ne suis pas tout à fait sûr d’avoir les mots pour cela.”
