Inscrivez-vous à la newsletter scientifique Wonder Theory de CNN. Explorez l’univers avec des nouvelles sur des découvertes fascinantes, des avancées scientifiques et plus encore.
Chaque jour, les signaux radio des principaux satellites de communication et de navigation circulent librement à travers une couche de l’atmosphère terrestre appelée ionosphère.
Flottant entre 80 et 643 kilomètres au-dessus de nos têtes, directement sous les régions les plus basses de l’espace où orbitent certains satellites de communication, cette zone de la haute atmosphère abrite également de nombreuses énigmes non résolues, notamment une énigme en forme d’alphabet qui a le potentiel de contrecarrer tout ce que ces signaux radio font pour assurer le bon fonctionnement de la vie sur notre planète.
Les astronomes savent depuis un certain temps que des formations en forme de crête en X peuvent apparaître dans le plasma de l’ionosphère — une mer de particules chargées — après les tempêtes solaires.
Les événements volcaniques et les conditions météorologiques extrêmes sur Terre peuvent également être à l’origine de ce phénomène. De gigantesques éruptions, comme celle du Hunga Tonga-Hunga Ha’apai en janvier 2022, projettent des particules dans l’atmosphère terrestre qui atteignent même l’espace. Les orages et les ouragans peuvent créer des ondes de pression qui se dirigent vers l’ionosphère.
Parallèlement, la nuit, pendant ces périodes actives, lorsque le rayonnement solaire n’est pas aussi fort, des bulles de faible densité apparaissent également dans l’ionosphère.
Les données satellite n’ont pas toujours été en mesure de capturer une image complète de ce qui se passe dans l’ionosphère, mais la mission GOLD de la NASA offre une vue plongeante sur la couche atmosphérique de l’hémisphère occidental depuis l’espace, révélant comment différents facteurs provoquent des perturbations dans l’ionosphère.
Les astronomes qui ont étudié les données recueillies par la mission GOLD ont découvert des structures similaires en forme de X et de C jamais observées auparavant, qui semblent être apparues pendant des « périodes calmes » sans perturbations atmosphériques, selon de nouvelles recherches. Ces découvertes bouleversent ce que l’on sait sur la façon dont ces structures inhabituelles pourraient se former et sur leurs impacts potentiels.
Les données de la mission aident les scientifiques à voir « à quel point l’atmosphère terrestre est complexe » tout en montrant qu’elle est plus variable que prévu, même lorsqu’il n’y a pas de cause évidente derrière les perturbations en forme d’alphabet dans l’ionosphère, a déclaré Jeffrey Klenzing, un chercheur scientifique qui étudie l’ionosphère au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.
« Je pense que cela se produit depuis toujours », a-t-il déclaré. « Le problème, c’est que nous n’avons pas suffisamment de données pour vraiment voir que cela se produit. »
Une meilleure compréhension des phénomènes en forme de lettres pourrait aider les scientifiques à comprendre la dynamique entre l’ionosphère et la météo, et à comprendre comment cette interaction peut présenter des risques pour les personnes et les systèmes sur Terre.
Crêtes en forme de X
L’ionosphère n’est pas toujours une couche de gaz parfaitement lisse et elle est en constante évolution. Elle s’électrise lorsque la lumière du soleil la frappe. Le rayonnement solaire arrache les électrons des atomes et des molécules pour créer un plasma qui permet aux communications radio de voyager sur de longues distances.
Mais à mesure que le soleil disparaît la nuit, l’ionosphère s’amincit et les particules autrefois chargées se déposent et deviennent des particules neutres, selon la NASA. C’est à ce moment-là que des bulles peuvent se former dans l’ionosphère.
Les lignes de champ magnétique terrestre transportent également des particules chargées flottant librement dans l’atmosphère vers deux bandes denses au nord et au sud de l’équateur, appelées crêtes.
Étant donné leurs densités diverses, les crêtes et les bulles ressemblant à différentes formes dans l’ionosphère peuvent provoquer des interférences avec les communications et les signaux GPS.
La mission GOLD, ou Global-scale Observations of the Limb and Disk, surveille l’ionosphère depuis son lancement en janvier 2018. Le satellite tourne autour de la Terre à la même vitesse que notre planète, ce qui permet au vaisseau spatial de rester en vol stationnaire constant au-dessus de l’hémisphère occidental.
GOLD a repéré les signes les plus évidents des caractéristiques en forme de X et de C en 2019, 2020 et 2021, et à des endroits inattendus. Ces preuves poussent les chercheurs à s’interroger sur les effets potentiels des X et des C sur les signaux de communication à l’avenir.
« La mission GOLD de la NASA est la première à observer les formes alphabétiques sans ambiguïté », a déclaré Fazlul Laskar, auteur principal d’une étude d’avril sur les formes en X publiée dans le Journal of Geophysical Research: Space Physics.
« Ces formes révèlent que l’ionosphère peut être très dynamique et présenter des structures inattendues », a ajouté Laskar, chercheur au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’Université du Colorado. « Elles démontrent également que les conditions météorologiques de la basse atmosphère pourraient avoir un impact énorme sur l’ionosphère. »
GOLD a observé plusieurs cas de formation de X « dans des conditions géomagnétiques calmes » – au lieu de les observer lors de perturbations atmosphériques telles que des tempêtes solaires ou des conditions météorologiques terrestres, où ils étaient auparavant observés – et a indiqué aux scientifiques qu’un autre mécanisme devait être responsable de la formation de ces formes, a déclaré Laskar. Selon l’étude, les modèles informatiques suggèrent que des changements dans la basse atmosphère tirant le plasma vers le bas pourraient expliquer cette situation.
« L’apparition du X est étrange car elle implique que des facteurs bien plus localisés sont à l’origine de ces phénomènes », a déclaré Klenzing. Il n’a pas participé à l’étude d’avril. « On s’attend à ce que cela se produise lors d’événements extrêmes, mais le fait de l’observer pendant une « période calme » suggère que l’activité de la basse atmosphère influence de manière significative la structure ionosphérique. »
Des bulles C jamais vues auparavant
Par ailleurs, GOLD a également observé des bulles de plasma en forme de C qui peuvent être influencées par d’autres facteurs.
En général, les bulles de plasma sont longues et droites, car elles se forment le long des lignes du champ magnétique terrestre. Mais certaines d’entre elles ressemblent à des formes courbes, qui ressemblent à des C ou à des C inversés, et les scientifiques pensent qu’elles pourraient être façonnées par les vents terrestres.
Alors que des formes en C peuvent se former si les vents augmentent avec l’altitude, des C inversés pourraient se former si les vents diminuent avec l’altitude, selon les modèles de recherche.
« C’est un peu comme un arbre qui pousse dans une zone venteuse », explique Klenzing. « Si les vents soufflent généralement vers l’est, l’arbre commence à s’incliner et à pousser dans cette direction. »
Mais GOLD a observé des bulles de plasma en forme de C et en forme de C inversé inhabituellement proches les unes des autres, à seulement environ 644 kilomètres de distance, soit la distance entre Baltimore et Boston, selon une étude de novembre 2023 publiée dans le Journal of Geophysical Research : Space Physics.
« À une telle proximité, ces deux bulles de plasma de formes opposées n’avaient jamais été imaginées, ni photographiées », a déclaré Deepak Karan, chercheur au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’Université du Colorado. Karan travaille sur la mission GOLD et est l’auteur principal de l’étude sur la forme en C et coauteur de l’étude sur la forme en X.
Une activité de type tornade, un cisaillement du vent ou un vortex pourraient créer des turbulences dans l’atmosphère qui provoqueraient des changements de régime des vents dans une zone aussi restreinte, a déclaré Karan. Mais ils ne s’attendaient pas à voir des bulles de structures aussi opposées si proches les unes des autres.
« Le fait que nous ayons des formes de bulles très différentes et aussi proches les unes des autres nous indique que la dynamique de l’atmosphère est plus complexe que nous le pensions », a déclaré Klenzing.
Jusqu’à présent, GOLD n’a observé que deux cas de paires étroites, mais les bulles en forme de C ont le potentiel de perturber les communications.
« Il est très important de comprendre pourquoi cela se produit », a déclaré Karan. « Si un vortex ou un cisaillement très fort se produit dans le plasma, cela déformera complètement le plasma dans cette région. Les signaux seront complètement perdus avec une perturbation aussi forte. »
Karan a déclaré que ces tourbillons, qui peuvent durer des heures, ressemblent aux tornades qui se produisent dans la basse atmosphère terrestre, mais l’énigme que les scientifiques ne semblent pas pouvoir résoudre est de savoir comment les structures se forment dans l’ionosphère pendant les « périodes de calme ».
« Décrypter le mystère de ces formations de bulles de plasma n’est pas seulement une curiosité scientifique, mais revêt également une importance pratique pour atténuer les effets néfastes sur les systèmes de communication et de navigation », a-t-il déclaré.
Les tentatives pour comprendre comment les bulles se forment si près les unes des autres avec les outils de modélisation actuels n’ont pas abouti, a déclaré Karan. Il espère qu’en publiant les recherches et en incluant tous les mécanismes de formation possibles, la communauté scientifique pourra se réunir pour résoudre le mystère.
Une mine d’or de données
La mission GOLD est particulièrement adaptée pour capturer des caractéristiques inattendues de l’ionosphère en raison de son orbite. Alors que les missions satellites précédentes ne pouvaient capturer qu’une petite partie d’un événement dans une seule dimension, GOLD peut prendre plusieurs images d’un événement en l’espace de quelques heures, a déclaré Laskar. Et il s’attend à ce que des caractéristiques encore plus surprenantes soient révélées dans les données de GOLD à l’avenir.
« Grâce à une vision aussi large et à des mesures continues, GOLD nous a permis d’observer ces mystères dans l’ionosphère », a déclaré Karan.
Il a déclaré que de nombreuses questions restent sans réponse à propos de cette couche atmosphérique, notamment la manière dont les changements dans la basse atmosphère et l’activité solaire influencent le mouvement des particules chargées dans l’ionosphère.
Étant donné que les tempêtes solaires pourraient augmenter en raison de l’approche du pic du soleil de son cycle de 11 ans, appelé maximum solaire, les astronomes souhaitent également mieux comprendre comment la composition de l’ionosphère change au cours des événements, car les gonflements soudains de particules chargées peuvent augmenter la traînée sur les satellites et raccourcir leur durée de vie, a déclaré Karan.
Les courants électriques circulent également dans l’ionosphère, et une augmentation du courant électrique pendant les tempêtes solaires peut endommager les lignes de transmission et les transformateurs de terre sur Terre, a-t-il déclaré.
Lors de la tempête géomagnétique qui a frappé la Terre le 10 mai, le fabricant de tracteurs John Deere a signalé que certains clients dépendant du GPS pour l’agriculture de précision ont subi une perturbation.
« Les systèmes de guidage GPS sont les plus touchés par ce phénomène dans le secteur agricole », a déclaré Tim Marquis, chef de produit senior chez John Deere, dans un communiqué. « Les récepteurs GPS fonctionnent lorsqu’un signal est reçu à intervalles réguliers, un peu comme le battement d’un métronome, en provenance d’un satellite en orbite. Lors des tempêtes solaires, ce signal rencontre un « brouillard » de particules chargées et peut être perdu. Et les machines ne peuvent pas savoir précisément où elles se trouvent à cause de ces interférences. »
Les résultats attendus des études sur les données GOLD lors de la tempête géomagnétique du 10 mai pourraient aider les astronomes dans le développement d’un système de prévision météorologique spatiale, a déclaré Laskar.
« Nous avons besoin d’un système de prévision météorologique spatiale qui pourrait nous dire quand nous allons avoir des problèmes avec les signaux GPS et quand les orbites des satellites devront peut-être être ajustées pour éviter des collisions catastrophiques », a-t-il déclaré.
La perte du signal GPS sur Terre n’est pas seulement gênante pour les personnes qui tentent de retrouver un endroit où elles ne sont jamais allées. Les signaux de navigation sont également largement utilisés dans le transport maritime, les transports, l’agriculture et la construction.
Lorsque des bulles, des crêtes ou des tempêtes solaires perturbent la distribution du plasma dans l’ionosphère, les signaux radio traversant la couche atmosphérique peuvent être modifiés, perdus ou s’estomper, a déclaré Karan.
« Il pourrait y avoir des conséquences potentiellement mortelles en raison de la perte soudaine des signaux GPS dans les avions, les navires et les automobiles, ce qui est même effrayant à imaginer », a-t-il déclaré.
GOLD et les concepts de futures missions pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre les phénomènes à l’œuvre derrière ces caractéristiques X et C récemment observées – et peut-être même à prédire de tels changements avant qu’ils ne se produisent dans l’ionosphère.
« L’un des défis pour les chercheurs en ionosphère est de pouvoir prédire à l’avance sa dynamique », a déclaré Laskar, « afin que nous puissions être préparés à la perte du signal GPS et aux interruptions des communications par satellite. »
Pour plus d’actualités et de newsletters CNN, créez un compte sur CNN.com