Contexte

L'existence d'effets magnétiques de faible intensité associés aux séismes ou à l'activité volcanique a été soulignée dès les années 50.

La compréhension de tous ces phénomènes nécessite un développement simultané des expériences au sol et des mesures à bord de satellite. Les campagnes sol, proches des épicentres, sont à priori plus faciles à conduire et peuvent combiner un très grand nombre d'expériences complémentaires. En revanche, elles ont pour défaut de poser des problèmes :

• De localisation géographique, tant que l'on ne sait pas quelles sont les conditions géophysiques qui doivent être réunies pour avoir une source émettrice,
• De positionnement des différents capteurs, tant que l'on ne comprend pas pourquoi des mesures faites à quelques kilomètres de distance par la méthode VAN (Varotsos–Alexopoulos–Nomicos, 1984) basée sur la détection de signaux électriques présismiques ne donnent pas les mêmes indications,
• De temps d'observation.

Aussi imparfaites et limitées qu'elles soient, les observations à bord de satellites sont actuellement les mieux adaptées pour la phase préliminaire de démonstration et de caractérisation des phénomènes électromagnétiques. Elles améliorent la qualité des observations au sol en précisant aussi bien les régions d'implantation les plus favorables que les équipements scientifiques à réunir pour de futures expériences sol.

Les observations faites par satellite ont pour avantage majeur de couvrir très rapidement la quasi-totalité des régions sismiquement actives du globe.

Mais ces observations n'ont véritablement d'utilité que si l'on peut démontrer leur origine sismotectonique, définir leurs caractéristiques et leur variabilité en fonction des conditions de la rupture et de son environnement. Malheureusement jusqu'à DEMETER, de telles observations n'avaient été effectuées qu'avec des équipements qui n'étaient pas spécifiques à cette étude. Elles souffraient ainsi des défauts suivants :

• Elles étaient discontinues dans le temps,
• Elles étaient effectuées dans des bandes de fréquence étroites et souvent inadaptées,
• Elles étaient généralement limitées à une seule composante du champ électromagnétique.

Innovations apportées par la mission DEMETER

L'expérience de mesure du champ utilisait des capteurs magnétiques et électriques à larges gammes de fréquence pouvant fonctionner à une cadence d'échantillonnage élevée pour enregistrer la forme d'onde des signaux électromagnétiques observés dans l'ionosphère et en déterminer la distribution en fréquence.

L'originalité de DEMETER par rapport aux autres missions d'études de l'environnement radioélectrique terrestre était la détection et la caractérisation des phénomènes électromagnétiques transitoires Très Basses Fréquences (TBF). Pour cela, l'instrument utilisait un système de traitement par réseau de neurones.

Objectifs principaux

Les mesures effectuées par l'expérience DEMETER avaient pour principal objectif d'étudier de façon systématique les émissions d'ondes électromagnétiques observées lors de tremblements de terre et d'éruptions volcaniques, les perturbations de l'ionosphère et de la haute atmosphère, ainsi que les précipitations de particules associées. Une telle expérience a été suscitée par les observations faites dans les années 80, au départ de façon tout à fait fortuite et non systématique, par des scientifiques soviétiques et japonais, puis par des scientifiques français. DEMETER s'inscrivait dans le prolongement naturel de ces travaux, et constituait une étape fondamentale vers l'établissement de ces phénomènes et leur compréhension complète.

La mission DEMETER avait pour objectifs principaux :

• De rechercher l'existence de signaux électriques et magnétiques, dans la haute atmosphère, associés aux crises sismiques et/ou volcaniques à la surface de la Terre et plus particulièrement des signaux associés à la phase préparatoire de la rupture sismique ou des éruptions volcaniques.
• De déterminer les caractéristiques des perturbations de l'atmosphère neutre et de l'ionosphère également liées à l'activité sismique après mais également avant les événements.
• De rechercher l'occurrence de précipitation de particules liées à ces événements.

Objectifs secondaires

L’objectif scientifique de DEMETER (dans le cadre du Programme National Soleil Terre) était également d'effectuer une surveillance globale de l'environnement électromagnétique autour de la Terre. Depuis AUREOL-3 en 1981 aucun satellite scientifique basse altitude n'avait effectué de mesures dans les régions de moyenne latitude. DEMETER a ainsi pu étudier l'influence des orages dans les relations Soleil-Terre, et évaluer l'impact de l'activité humaine sur l'ionosphère.

La mission DEMETER avait ainsi pour objectifs secondaires :

• Déterminer la nature de ces signaux ainsi que l'ensemble de leurs caractéristiques spectrales, spatiales et temporelles.
• Déterminer les conditions d'apparition de ces signaux à haute altitude ainsi que leur variabilité en fonction des caractéristiques géophysiques de l'événement source d'une part, et des conditions atmosphériques, ionosphériques et magnétosphériques d'autre part. Ce dernier aspect du projet constituait une contribution essentielle à l'effort entrepris par la communauté géophysique pour comprendre les mécanismes générateurs ainsi que les conditions de propagation de ces signaux.

Déroulé du projet

Le satellite a été placé le 29 juin 2004 sur une orbite circulaire quasi héliosynchrone (inclinaison de 98,23°) à 715 Km, avec un nœud ascendant à 22h15.

L'orbite a ensuite été baissée à 660 km en décembre 2005, avec un nœud ascendant quasi inchangé.

La charge utile a fonctionné selon deux modes principaux :

• Mode "Survey" ou "Surveillance" : en plus des paramètres analogiques de contrôle, des données scientifiques moyennées et/ou réduites étaient générées. Des traitements de bord étaient appliqués pour réduire le flot à transmettre dans la mémoire de masse (MdM); le débit des données transférées était de l'ordre de 25 kbits / seconde.
• Mode "Burst" ou "Evénement" : les données scientifiques acquises étaient transmises avec peu ou pas de traitements. Ce mode à haut débit était activé principalement au-dessus des zones sismiques ; le débit maximal de l'ordre de 1.7 Mbits / seconde.

Organisation

Le CNES était responsable du développement du système DEMETER, il assurait la maîtrise d'œuvre du Centre de Mission Technologique (CM-T) et de la charge utile technologique.

Le LPC2E assurait la maîtrise d'œuvre du développement de la charge utile scientifique et du Centre de Mission Scientifique DEMETER. Il était aussi chargé du développement du module électronique BANT et de l'instrument IMSC.

D'autres laboratoires scientifiques français ont également collaboré à DEMETER : l'IRAP, responsable du développement de l'instrument IDP, le LPP, responsable du développement des instruments IAP et ICE, l'US Nançay qui a travaillé sur la partie analogique du BANT, l'IPGP qui a fourni les données sismiques, ainsi que les laboratoires LDG/CEA, IDF Sophia, LIRA/Observatoire de Paris (ex-LESIA).

Pendant la mission DEMETER, l'OPGC a mis en œuvre des expériences au sol pour mesurer le champ électromagnétique dans des régions sélectionnées comme le golfe de Corinthe et sur le volcan Piton de la Fournaise dans l'île de la Réunion. Ces mesures ont été comparées avec celles effectuées simultanément par le satellite pour comprendre les processus physiques de génération de ces émissions.

En Europe, l'ESA via l'ESTEC était responsable de l'instrument ISL, en Pologne le laboratoire CBK a contribué au développement du module DC/DC de BANT et du Banc de test de la charge utile.

Les données ont été traitées par le Centre de Mission Scientifique à Orléans. Au Japon, un laboratoire de l'université d'Electro-communication a été impliqué dans le traitement scientifique des données.