La surveillance et de prévision de l'ionosphère

Le présent article décrit la météorologie de l’espace, un domaine d’activité relativement nouveau pour l’OMM, et plus particulièrement les impacts sociétaux, et les observations et données nécessaires qui s’y rapportent.



Le présent article décrit la météorologie de l’espace, un domaine d’activité relativement nouveau pour l’OMM, et plus particulièrement les impacts sociétaux, et les observations et données nécessaires qui s’y rapportent.

La météorologie de l’espace porte sur l’évolution des conditions de l’environnement spatial naturel de notre système solaire. Les phénomènes spatiométéorologiques sont déclenchés par des événements intervenant à la surface du Soleil ou dans l’espace interplanétaire qui finissent par se répercuter sur l’environnement naturel terrestre. Si elles ne représentent pas nécessairement un risque direct pour la vie humaine sur Terre, les perturbations météorologiques dans l’espace ont des répercussions sur un certain nombre de technologies essentielles et, par conséquent, sur l’économie mondiale. Ces perturbations produisent sur les infrastructures énergétiques, les réseaux de transport, les communications radioélectriques, ou encore les services satellitaires, entre autres, des incidences négatives qui réduisent la fiabilité de certains systèmes essentiels et peuvent par ce biais compromettre la sécurité humaine.

Les services relatifs à la météorologie de l’espace sont déjà régulièrement employés par les compagnies aériennes commerciales, les opérateurs de satellites, de forages, d’activités de géodésie et de réseaux électriques, les concepteurs d’oléoducs et de gazoducs et les utilisateurs de systèmes de navigation par satellite. Dans le cadre de leur démarche globale de gestion des aléas, les organismes de gestion des situations d’urgence mettent au point des procédures relatives aux phénomènes météorologiques dangereux dans l’espace. Depuis novembre 2019, trois (bientôt quatre) centres mondiaux de météorologie de l’espace proposent leurs services à l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI).

L’OMM reconnaît l’existence d’une demande croissante de services de météorologie de l’espace, qui s’explique par une dépendance accrue de la société vis à vis des technologies sensibles aux phénomènes météorologiques spatiaux. Un certain nombre de pays mettent au point des procédures de gestion des risques associés aux phénomènes météorologiques dangereux dans l’espace, dans le cadre de démarches de réduction des risques de différents types de catastrophes. La demande en informations sur la météorologie spatiale devrait continuer d’augmenter à mesure que l’incidence des phénomènes liés à la météorologie de l’espace est mieux connue, que la société se trouve plus exposée à ces phénomènes et que les produits et services relatifs à la météorologie de l’espace évoluent.

Le Plan quadriennal 2020-2023 de l’OMM pour la coordination des activités relatives à la météorologie de l’espace («Plan quadriennal 2020-2023») a été approuvé par le Dix-huitième Congrès météorologique mondial (Cg-18) en 2019. La mise en œuvre du Plan quadriennal débouchera pour les Membres de l’OMM sur une augmentation de la précision des observations et une amélioration des services.

L’OMM a également intégré les observations de la météorologie de l’espace dans sa nouvelle politique unifiée en matière de données. Celle-ci permettra de mettre en évidence les observations fondamentales nécessaires pour les services de météorologie spatiale qui seront détaillées dans le Règlement technique de l’OMM.

Le présent article décrit ce domaine d’activité relativement nouveau pour l’OMM et plus particulièrement les impacts sociétaux, et les observations et données nécessaires qui s’y rapportent. Les services de météorologie spatiale et la collaboration internationale seront également abordés.

Les phénomènes spatiométéorologiques: un nouvel aléa de l’ère technologique
Exception faite des rares apparitions spectaculaires des aurores boréales (voir la figure 1) ou australes qui sont dues à des perturbations des champs électromagnétiques naturels et à des particules ionisées de la haute atmosphère (ionosphère), les phénomènes météorologiques de l’espace ne peuvent généralement pas être directement vus ou ressentis par les humains, à la différence d’un grand nombre de technologies qui interagissent avec l’environnement électromagnétique naturel de la Terre et qui sont donc régulièrement perturbées par les effets de ces phénomènes.


Ces effets sont connus depuis longtemps. Les phénomènes spatiométéorologiques nuisent à la précision des aiguilles des boussoles (méthode inventée il y a plus de deux mille ans et toujours utilisée de nos jours pour naviguer et s’orienter). Inventé au XVIIIe siècle, le télégraphe a grandement mis en évidence les effets des phénomènes spatiométéorologiques sur la technologie. Les câbles du télégraphe étant de longs conducteurs linéaires placés à la surface de la Terre, ils sont sensibles aux variations naturelles du champ électromagnétique de la planète. Le hasard a voulu que le télégraphe soit développé à l’échelle mondiale lors d’une période d’intense activité solaire. Du 28 août au 2 septembre 1859, de forts orages géomagnétiques (connus sous l’appellation d’«événement de Carrington», le plus intense épisode spatiométéorologique de l’histoire moderne) ont causé d’importantes perturbations dans les systèmes télégraphiques d’Europe et d’Amérique du Nord.

Dans l’ouvrage écrit à l’époque par Prescott (1866)[1], on peut lire la description du phénomène par le Directeur des services du télégraphe canadien, M. O.S. Wood: «En quinze ans de métier […], je n’ai jamais rien vu de tel que les effets de l’aurore boréale […] la nuit dernière. La ligne fonctionnait parfaitement et nos opérateurs expérimentés ont travaillé sans relâche de 20 heures hier soir à 1 heure ce matin […]; cependant, à ce moment-là l’aurore boréale a eu une telle incidence sur les fils qu’il s’est avéré tout à fait impossible de communiquer entre les stations télégraphiques, et que la ligne a été fermée pour la nuit.»

Les communications sans fil ont fait leur apparition au début du XXe siècle avec l’invention de la radio. Cependant, l’absence des longs conducteurs n’a pas éliminé les impacts des phénomènes spatiométéorologiques. La radiocommunication est influencée par l’interaction entre les ondes radio et l’ionosphère (la couche électriquement conductrice de l’atmosphère). Cette dernière est fortement perturbée lors de phénomènes météorologiques spatiaux et peut interférer avec la propagation des signaux radio. Selon L. Lanzarotti (2001)[2], Marconi a décrit ce phénomène comme provoquant des périodes d’évanouissement radioélectrique coïncidant presque toujours avec l’apparition de larges taches solaires et d’intenses aurores boréales, elles-mêmes généralement associées à des orages magnétiques.

Les communications radio haute fréquence (HF) dans les zones arctique et antarctique sont beaucoup plus affectées que dans les autres zones puisque l’intensité des perturbations est plus importante à proximité des pôles magnétiques.

Selon Davidson, il était possible, dès 1940[3], d’observer les effets de la météorologie spatiale sur le réseau électrique. Le cas le plus frappant a été enregistré en 1989 avec la panne générale du système électrique d’Hydro-Québec les 13 et 14 mars provoquée par un orage géomagnétique. Le phénomène n’a duré que quelques minutes, mais il a privé d’électricité des centaines de milliers de personnes et d’entreprises durant neuf heures[4].

Un des phénomènes météorologiques spatiaux les plus intenses a eu lieu en octobre 2003. Il a eu des effets considérables sur les infrastructures vulnérables et a fortement influencé la perception par l’opinion publique de la météorologie spatiale. En 2008, le Conseil national de la recherche des États-Unis a publié un rapport relatif à ce phénomène:

«Le 30 octobre 2003, la Commission scientifique de la Chambre des Représentants, ainsi que la souscommission pour l’environnement, la technologie et les normes ont tenu une audition concernant la météorologie spatiale et les attributions des différents organismes chargés de collecter, de diffuser et d’exploiter les données météorologiques spatiales. [...] Les questions suivantes ont été abordées: Quel est le niveau de financement idéal pour les organismes responsables des prévisions relatives à l’environnement spatial? et Quelle importance ont ces prédictions pour l’industrie et le commerce? Par une coïncidence assez remarquable, le Soleil a présenté à ce moment précis l’une de ses plus fortes activités éruptives des trois dernières décennies. Fin octobre et début novembre 2003, d’importants déferlements d’énergie provenant du Soleil ont engendré des phénomènes intenses liés aux particules énergétiques solaires et ont déclenché de forts orages géomagnétiques [...] En raison de la variété et de l’intensité de cette flambée de l’activité solaire, le bon fonctionnement de la plupart des industries sensibles à la météorologie spatiale a été entravé [...] Ces phénomènes ont rappelé aux scientifiques et aux décideurs à quel point l’environnement spatial peut affecter la société humaine et ses diverses technologies spatiales et terrestres.»

Le rapport contient également des estimations des impacts socio économiques sur les technologies vulnérables du phénomène de météorologie spatiale d’octobre 2003: «La compagnie d’électricité suédoise Sydkraft a indiqué que de forts courants induits géomagnétiquement au-dessus de l’Europe septentrionale avaient perturbé le fonctionnement des transformateurs électriques et entraîné une panne du système qui avait provoqué une coupure d’électricité généralisée. Les niveaux des radiations étaient tels que la NASA (Administration américaine pour l’aéronautique et l’espace) a donné pour instruction aux astronautes de l’ISS (Station spatialeinternationale) de se mettre à l’abri par mesure de précaution. Les compagnies aériennes ont pris des mesures exceptionnelles et modifié les itinéraires de leurs appareils dans les hautes latitudes afin d’éviter les niveaux de radiation élevés et les zones de coupure des communications. Chaque vol dérouté a coûté entre 10 000 et 100 000 dollars É.-U. De nombreuses anomalies ont été signalées par des missions dans l’espace lointain et par des satellites sur différentes orbites. L’équipe d’exploitation des missions de sciences spatiales du centre des vols spatiaux Goddard a signalé qu’environ 59 % des missions scientifiques terrestres et spatiales avaient été touchées. Les orages ont probablement causé la perte du satellite perfectionné d’observation de la Terre ADEOS-2[5] d’une valeur de 640 millions de dollars É.-U. À son bord se trouvait également l’instrument de mesure SeaWinds de la NASA, d’une valeur de 150 millions de dollars É.-U.»

De nos jours, des milliers de satellites se trouvant dans l’espace circumterrestre rendent possibles les prévisions météorologiques, les communications, la navigation, la télédiffusion, ainsi que beaucoup d’autres activités. Les conditions météorologiques spatiales dangereuses ont un impact direct sur les systèmes satellitaires et perturbent les services qu’ils fournissent. L’un des services satellitaires les plus utilisés est assuré par le Système mondial de navigation par satellite (GNSS), dont les applications vont de la navigation à la synchronisation, et dont les utilisateurs appartiennent à un large éventail de secteurs économiques, allant de l’aviation à la banque. Ce service est également vulnérable aux phénomènes météorologiques dangereux dans l’espace. Ainsi, les événements d’octobre 2003 ont eu des incidences majeures sur les services du système de renforcement à couverture étendue (WAAS) qui utilise le GPS (système de géolocalisation), et ce, pendant une trentaine d’heuress[6].

Il convient de noter que l’intensité de l’événement de Carrington de 1859 était plusieurs fois supérieure à tout autre événement survenu ces cinquante dernières années. Un épisode similaire aujourd’hui entraînerait des perturbations socio économiques beaucoup plus profondes et étendues que tous les exemples présentés ci-dessus. La vulnérabilité mondiale grandissante face aux phénomènes spatiométéorologiques est une source de préoccupation croissante. Entre 2008 et 2021 ([7]-[10]), de nombreuses études ont été réalisées afin d’évaluer les impacts économiques et sociétaux des phénomènes météorologiques dangereux dans l’espace, ainsi que le niveau de services requis.

Origines des phénomènes météorologiques spatiaux et observations primordiales
En vue de fournir des services essentiels, la météorologie spatiale doit être observée avec une grande précision de la Terre jusqu’au Soleil, et les données doivent être échangées en temps voulu. Il s’agit d’une tâche ambitieuse étant donné l’immensité physique du domaine et les capacités d’observation limitées pour couvrir l’espace entre le Soleil et la Terre, ainsi que la surface terrestre ellemême. Le large éventail de processus physiques qui influencent la météorologie de l’espace requiert le développement de nouvelles capacités instrumentales. Les modèles numériques complexes de propagation des perturbations météorologiques spatiales jouent un rôle essentiel dans la prévision de ces événements.

Les observations de la météorologie de l’espace s’appuient sur des instruments d’exploitation et de recherche basés au sol et dans l’espace pour surveiller les conditions (en commençant par le point le plus éloigné) du Soleil, des vents solaires et de l’héliosphère, de la magnétosphère, de l’ionosphère, de la thermosphère et du champ magnétique terrestre.

Il existe de nombreux types de perturbations solaires. Chacune d’elles engendre un phénomène différent dans l’espace circumterrestre et au sol, et a une incidence différente sur les technologies (voir la figure 2). Deux phénomènes solaires sont à l’origine des effets les plus immédiats de la météorologie spatiale: les éruptions solaires, dont l’impact peut être vu sur Terre en quelques minutes, et les particules énergétiques solaires qui peuvent atteindre la Terre en quelques heures. Ces deux phénomènes rapides perturbent l’exploitation des satellites et l’ionosphère et, partant, les communications radio et le GNSS. De plus, ils peuvent entraîner une augmentation du taux de radiation dans l’espace circumterrestre, et ce, même à des altitudes élevées.

Phénomènes plus lents que les deux premiers, les éjections de masse coronale (EMC) sont des émissions de plasma qui atteignent la Terre dans un délai d’un à plusieurs jours après le début de l’événement sur le Soleil. Elles sont à l’origine des orages géomagnétiques et ionosphériques les plus puissants impactant de multiples systèmes fonctionnant dans l’espace et au sol, tels que les satellites sur diverses orbites et les réseaux de communication, de navigation et d’électricité.




À cela s’ajoutent des phénomènes récurrents associés à la rotation du Soleil (environ 27 jours) qui ont des effets plus modérés sur la technologie. Une périodicité plus longue de l’activité solaire est souvent caractérisée par un nombre de taches solaires (et un flux radioélectrique solaire capté à 10,7 cm). Elles réapparaissent environ tous les onze ans et servent d’indice de «climatologie» solaire depuis plusieurs siècles, les plus anciens documents qui en font mention remontant à environ deux cents ans avant notre ère[11].

Certaines observations solaires (optiques et par radiofréquence) sont fournies par des observatoires au sol. Ces observations sont primordiales pour de nombreuses applications de la météorologie spatiale, y compris la surveillance de l’activité solaire sur le court et le long terme, et comme données d’entrée pour les modèles numériques de prévision de la météorologie de l’espace (voir la figure 3). Selon l’Union astronomique internationale, il existe actuellement plus de 80 observatoires solaires terrestres en fonctionnement.



Figure 3. Observatoire radioastronomique à Penticton au Canada (à gauche) et ses observations sur la durée du signal radioélectrique solaire capté à 10,7 cm (à droite), montrant les cycles solaires de onze ans. (Source: Tapping, K. 2013)[12])



es observations solaires réalisées depuis l’espace fournissent d’autres mesures essentielles en rapport avec le Soleil sans aucune interférence de l’atmosphère terrestre et permettent une surveillance in situ de la propagation des perturbations du plasma du vent solaire et des particules énergétiques solaires (voir la figure 4).





Figure 4. Observations du satellite-observatoire solaire et héliosphérique (SOHO) du phénomène météorologique spatial du 14 juillet 2000 sous différentes longueurs d’onde. À gauche: éclair d’une éruption solaire à 10 h 24 UT; Au milieu: éjection de masse coronale formant un halo à 360 degrés autour du Soleil à 10 h 54 UT (la partie centrale la plus lumineuse du Soleil est couverte); À droite: «neige» due à l’impact des particules énergétiques solaires sur l’imageur du satellite à 11 h 30 UT. (Source: Avec l’aimable autorisation de la NASA/ESA)

Les missions spatiales fournissent des observations in situ des paramètres déterminants des perturbations solaires, tels que le champ magnétique et les caractéristiques des particules chargées, avant qu’elles n’atteignent la Terre (voir la figure 5). Cependant, les observations terrestres sont également essentielles puisqu’elles garantissent une perception critique de la situation, et sont souvent fondamentales pour créer les modèles de prévision.




Figure 5. À gauche: composants du satellite ACE avec ses nombreux détecteurs de particules au centre et ses magnétomètres fixés aux panneaux solaires. (Source: Avec l’aimable autorisation de la NASA); À droite: illustration imagée de satellites observant la météorologie spatiale sur différentes orbites. (Source: [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]




Figure 6. À gauche: Magnétomètre (appartenant à Hrvoic et Newitt[13]); À droite: photo de l’observatoire magnétique d’Iqaluit au Canada. (Source: Avec l’aimable autorisation de Mark Lamothe)

Il convient de souligner que l’absence d’une surveillance in situ (c’est-à-dire depuis l’espace) suffisante du déclenchement et de la propagation des perturbations solaires est un problème qui ne sera pas entièrement résolu dans un avenir proche. Toutefois, des progrès peuvent être réalisés grâce à une approche coordonnée de l’identification des lacunes en matière d’observations et de la définition des priorités des missions spatiales coordonnées.

De même, les réseaux d’observation au sol, exploités par diverses entités allant des gouvernements aux groupes de recherche universitaires, offrent une couverture géographique limitée. Ils ont des priorités et des capacités différentes, et leurs efforts ne sont pas actuellement coordonnés au sein d’un système unifié de météorologie spatiale pour la fourniture en temps utile de données fiables et de qualité opérationnelle. Pour atténuer les effets néfastes des phénomènes spatiométéorologiques, il faudrait s’efforcer de disposer des capacités d’observation suffisantes sur Terre et dans l’espace, mais aussi de capacités de modélisation numérique pour représenter aussi bien les phénomènes que leur impact sur les technologies. L’ampleur de ces efforts dépasse les capacités d’un seul pays. La question est donc traitée par une approche coordonnée guidée par l’OMM (voir la figure .




Comme dans le cas des observations du système Terre relatives au temps, au climat et à la composition atmosphérique, le meilleur moyen de coordonner les systèmes d’observation au sol et dans l’espace de la météorologie spatiale consiste à appliquer les principes du Système mondial intégré d’observation de l’OMM (WIGOS). Des produits de météorologie de l’espace cohérents et dont la qualité est garantie devraient être mis à la disposition des Membres et d’un public élargi par le biais du Système d’information de l’OMM (SIO) conformément aux normes de l’Organisation.

Les services de météorologie spatiale et l’OMM: vers une Veille météorologique spatiale
Comme exposé dans Cade[14], la première prédiction d’un phénomène météorologique spatial (une aurore) a été effectuée au milieu du XVIIIe siècle. Selon un exposé de G. Major en 2016[15], les premières prédictions concernant les incidences que peuvent avoir les phénomènes météorologiques spatiaux sur la technologie étaient associées au télégraphe. Ces prédictions ont été publiées en 1879 (à une époque où le nombre de taches solaires a commencé à augmenter) dans le Journal of the Society of Telegraphic Engineers and Electricians afin de prévenir les professionnels du secteur d’une possible augmentation de l’activité magnétique et des problèmes connexes pour les exploitations télégraphiques.

Les premières prédictions régulières concernant les conditions météorologiques spatiales ont été effectuées par l’Union radio-scientifique internationale (URSI). L’Union avait compris que les changements dans le milieu spatial affecteraient les signaux radio et avait même suggéré la diffusion d’un bulletin radiocosmique quotidien (URSIgrammes). La première diffusion des conditions de la propagation radioélectrique a eu lieu en 1928 depuis la tour Eiffel.

À l’heure actuelle, 20 centres situés dans différents pays fournissent des services de météorologie spatiale. Depuis 1962, le Service international de l’environnement spatial est considéré comme l’organisation de référence pour tout ce qui concerne les services de météorologie spatiale. Il sert de forum pour partager les données, pour échanger et comparer les prévisions, pour discuter des besoins des utilisateurs et pour mettre en évidence les points prioritaires afin d’améliorer les services.

Étant donné l’échelle planétaire des phénomènes de météorologie spatiale, une coordination mondiale est essentielle et tiendra un rôle de premier plan dans l’amélioration de la résilience des pays face à leur impact. L’OMM étant l’une des seules organisations qui encouragent la collaboration mondiale opérationnelle, elle peut faire en sorte que tous ses Membres aient accès à toutes les informations nécessaires liées à la météorologie spatiale dans le cadre d’un renforcement des capacités.

En 2008, le Conseil exécutif de l’OMM (EC LX) a pris note des incidences considérables de la météorologie spatiale sur les infrastructures critiques et sur les activités humaines fondamentales et a reconnu qu’il était possible d’obtenir une synergie entre les services météorologiques et les services de météorologie de l’espace destinés aux utilisateurs professionnels. Le Seizième Congrès météorologique mondial (Cg-XVI) a reconnu qu’une action coordonnée des Membres de l’OMM se révélait nécessaire pour protéger la société des risques posés à l’échelle du globe par les phénomènes spatiométéorologiques. En mai 2010, l’OMM a créé l’Équipe de coordination interprogrammes pour la météorologie de l’espace qui a, à son tour, mis en place le tout premier Plan quadriennal de l’OMM pour la coordination des activités relatives à la météorologie de l’espace («Plan quadriennal 2016-2019»).

Le Dix-septième Congrès météorologique mondial tenu en mai 2015 est convenu que l’OMM devrait coordonner les activités internationales de surveillance et de prévision liées aux services d’exploitation de la météorologie de l’espace pour mieux contribuer à protéger la vie, les biens et les infrastructures essentielles, ainsi que pour atténuer les impacts sur les activités économiques concernées par la météorologie de l’espace. En 2016, la soixante-huitième session du Conseil exécutif a approuvé le Plan quadriennal 2016 2019 et la création d’une Équipe interprogrammes sur les informations, les systèmes et les services relatifs à la météorologie de l’espace. Le nouveau Plan quadriennal 2020-2023 a été approuvé par le Dix-huitième Congrès météorologique mondial en 2019.

L’amélioration des services de météorologie spatiale, passe par l’accès à des données d’observations de l’espace. L’OMM met sa nouvelle politique unifiée en matière de données au service de cet objectif. Elle permettra en effet de recenser les observations fondamentales et nécessaires pour les services de météorologie spatiale qui seront décrites dans le Règlement technique de l’OMM.

À l’heure actuelle, la météorologie spatiale est en cours d’intégration au sein des principaux domaines d’activité de l’OMM dans le but de créer une Veille météorologique spatiale mondiale. À cet effet, les systèmes d’observation au sol et dans l’espace de la météorologie spatiale devraient être coordonnés sur la base des principes du WIGOS, et des produits de météorologie de l’espace cohérents et dont la qualité est garantie devraient être mis