Les résultats principaux de la mission DEMETER suivent ses objectifs principaux :

• Étude des perturbations ionosphériques en liaison avec l'activité séismique
• Étude des perturbations ionosphériques en liaison avec l'activité humaine

D'autres sujets importants ont été abordés car au début de mission nous étions dans la partie descendante du cycle solaire et DEMETER a pu observer les effets dus aux orages magnétiques très intenses. Enfin pour faire une passerelle avec le micro-satellite Taranis qui devait être chargé d'étudier les décharges électrostatiques qui se produisent entre le haut des nuages d'orage et le bas de l'ionosphère, les données de DEMETER ont été utilisées pour valider les modes de fonctionnement des expériences. Cela a permis d'obtenir des résultats nouveaux concernant les orages atmosphériques. Cependant, le satellite Taranis n’a pas pu atteindre l’orbite après un échec de son lancement le 17 novembre 2020.

Mise en évidence de l'accélération rapide et cohérente des particules des ceintures de radiation pendant les orages magnétiques

Une équipe internationale, dont des chercheurs de l'IRAP et du LPP, a démontré l'existence très fréquente d'une accélération cohérente, en quelques dizaines de minutes, des électrons et des protons des ceintures de radiation de la Terre par des ondes à Ultra Basse Fréquence (UBF). Ces ondes UBF sont associées à la compression soudaine du champ magnétique terrestre lors d'orages magnétiques à l'orbite de la Terre. Grace à la mission française DEMETER et au détecteur de particules embarqué, qui possède une excellente résolution en énergie, des structures complexes en énergie ont en effet pu être mise en évidence pour la première fois et expliquées. Ces travaux ont été publiés dans J.-A. Sauvaud et al., (2013), Inner radiation belt particle acceleration and energy structuring by drift resonance with ULF waves during geomagnetic storms.

Des structures complexes en énergie

C'est la résonance entre le mouvement de dérive des particules autour de la Terre et le champ électrique d'ondes UBF qui cause ces structures. Ces ondes ont pu être détectées directement au sol et caractérisées en comparant les données de magnétomètres simultanément obtenues aux États-Unis et en Europe, en particulier à l'Observatoire magnétique de Chambon-la-Forêt. Il s'agit de pulsations quasi-monochromatiques de grandes longueurs d'onde qui circulent autour de la Terre avec des vitesses qui dépendent de leur longueur d'onde azimutale. Chaque mode résonne avec des particules dont la vitesse de dérive autour de la Terre est égale à sa leur vitesse de phase. Il s'agit d'un phénomène cohérent qui transporte les particules vers la Terre et les accélère efficacement. Ce phénomène est observé dans la ceinture interne, à des distances de l'ordre de 1 à 1,7 rayons terrestres, où les ondes ont une période de 20 minutes environ, et à de plus grandes distances (2,5-3,5 rayons terrestres), où les ondes en cause ont une période caractéristique de 1 minute environ. Ces accélérations, vues au niveau de la Terre au voisinage de l'anomalie magnétique de l'Atlantique Sud, sont des processus fréquents qui accompagnent les orages magnétiques, même de faible amplitude.

Cette résonance n'avait pas été mise en évidence auparavant car les détecteurs de particules usuels étaient conçus pour étudier les variations du flux mesuré dans de larges fenêtres ou bandes en énergie où les structures étaient enfouies. À partir des observations de DEMETER, des simulations numériques ont été conduites couplant le mouvement des particules de grande énergie à un modèle analytique des ondes tenant compte de leurs principales caractéristiques. Ces simulations reproduisent bien les observations.

Des résultats utiles pour l’étude de phénomènes similaires dans les magnétosphères de Jupiter et Saturne

Après le lancement en août 2012 des deux satellites américains RBSP destinés à l'étude des ceintures de radiation de la Terre, la communauté internationale possède les outils adéquats pour déterminer comment les ondes sont produites, soit par couplage direct entre le vent solaire et la magnétosphère de la Terre, soit par instabilité interne et comment elles affectent la dynamique globale des ceintures de radiation de la Terre, permettant ainsi d’étudier des processus analogues dans les magnétosphères des planètes géantes, Jupiter et Saturne. 

Pour en savoir plus :

Inner radiation belt particle acceleration and energy structuring by drift resonance with ULF waves during geomagnetic storms, J.-A. Sauvaud et al., Journal of Geophysical Research, 2013.

Utilisation scientifique d'un instrument de servitude du satellite DEMETER 

Il y avait à bord de DEMETER de nombreux instruments scientifiques qui ont servi à étudier les paramètres ionosphériques. Mais d'autres instruments ont aussi fait des mesures pour assurer le maintien de l'attitude du satellite comme le magnétomètre de type fluxgate. Ce magnétomètre mesurait les 3 composantes du champ magnétique de la Terre à l'altitude du satellite. A cause d'un échantillonnage lent (1 seconde) et d'une résolution faible (50 nT) il n'avait pas été utilisé dans les premiers temps de la mission dans le cadre des études scientifiques menées avec les données du satellite.

Mais à événement exceptionnel, données exceptionnelles, et en novembre 2004, le satellite DEMETER a essuyé la plus grosse tempête magnétique de toute la mission. A cette occasion, le magnétomètre a mis en évidence, à hautes latitudes, un système de courants alignés dans une dépression de densité en liaison avec des ondes de type Rayonnement Kilométrique Auroral (AKR). Plus de détails sont donnés dans la publication de M. Parrot et al., (2012), AKR-like emissions observed at low altitude by the DEMETER satellite.

Pour en savoir plus : AKR-like emissions observed at low altitude by the DEMETER satellite, M. Parrot et al., Journal of Geophysical Research, 2012

Surveillance de la hauteur de l'ionosphère en utilisant les ondes TBF enregistrées par DEMETER 

L’étude de S. Roledo-Redondo et al., (2012), Variation of the first cut-off frequency of the Earth-ionosphere waveguide observed by DEMETER présente une nouvelle méthode de télédétection qui permet d'avoir accès de nuit à la partie basse de l'ionosphère, une région mal connue car trop haute pour les ballons et trop basse pour les satellites. Cette méthode utilise la fréquence de coupure transverse des ondes Très Basse Fréquence (TBF) de type sifflement qui sont observées par DEMETER.

Ces ondes dues aux orages atmosphériques se propagent dans le guide Terre - ionosphère mais elles peuvent s'échapper et être ainsi observées par un satellite. Elles présentent alors une fréquence de coupure qui est inversement proportionnelle à la hauteur du guide Terre - ionosphère comme cela est montré par le diagramme ci-dessous.

DEMETER avait un mode survey qui calculait à bord le spectre du champ électrique dans la gamme TBF (0 - 20 kHz) tout autour de la Terre avec une résolution temporelle de ~ 2 s et une résolution fréquentielle de ~ 20 Hz. La fréquence de coupure a été automatiquement déterminée à partir des intensités spectrales et la hauteur de l'ionosphère a été étudiée en fonction des saisons et des années dans la période décroissante du cycle solaire. On a ainsi montré que la hauteur de l'ionosphère n'était pas la même au-dessus des océans et des continents comme le montre la carte ci-dessous.

Pour en savoir plus : Variation of the first cut-off frequency of the Earth-ionosphere waveguide observed by DEMETER, S. Roledo-Redondo et al., Journal of Geophysical Research, 2012

Perturbations ionosphériques et leurs causes

Perturbations ionosphériques liées aux séismes

Plusieurs articles ont été publiés pour présenter des exemples de perturbations des paramètres ionosphériques en liaison avec des séismes. Par exemple les publications suivantes : Sarkar et al., (2007), Ionospheric variations observed by the DEMETER satellite in the mid-latitude region during strong earthquakes ; M. Parrot, (2011), Statistical analysis of the ion density measured by the satellite DEMETER in relation with the seismic activity ; M. Parrot et al., (2015), DEMETER results related to seismic activity ; ou plus récemment, M. Li et al., (2020), Primary Joint Statistical Seismic Influence on Ionospheric Parameters Recorded by the CSES and DEMETER Satellites ; J. Lu et al., (2023), Pre-Earthquake Ionospheric Anomalies of the Wenchuan Earthquake Studied with DEMETER Satellite.

Mais le plus important est l'étude statistique sur l'intensité des ondes mesurées par les antennes électriques de DEMETER en fonction de l'activité séismique effectuée avec la méthode des époques superposées, comme le montre l’étude de F. Němec et al., (2008), Spacecraft observations of electromagnetic perturbations connected with seismic activity. Dans cette méthode, toutes les occurrences de séismes sont ramenées à un temps zéro. Les résultats sont présentés en fonction de la fréquence sous forme d'intensité relative normalisée par la déviation standard.

Dans les images qui suivent, les deux premiers diagrammes correspondent au champ électrique mesuré de nuit pour des tremblements de terre de magnitude supérieure à 4.8 (à gauche) et à 5 (à droite), de profondeur inférieure à 40 km, et une distance avec l'épicentre inférieure à 3° (les répliques n'ont pas été prises en compte). Les diagrammes montrent une diminution de l'intensité des ondes mesurées par DEMETER (d'autant plus forte que la magnitude est plus grande) dans une gamme de fréquence entre 1 et 2 kHz qui commence à avoir lieu quelques heures avant les séismes. Le troisième diagramme présente les mêmes résultats mais en fonction de la distance avec l'épicentre.

Des variations de densité électronique et ionique importantes ont été enregistrées quelques jours avant des séismes de forte magnitude. 

Pour en savoir plus : 

• Ionospheric variations observed by the DEMETER satellite in the mid-latitude region during strong earthquakes, Sarkar et al., Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007
• Spacecraft observations of electromagnetic perturbations connected with seismic activity, F. Němec et al., Geophysical Research Letters, 2008
• Statistical analysis of the ion density measured by the satellite DEMETER in relation with the seismic activity, M. Parrot, Earthquake Science, 2011
• DEMETER results related to seismic activity, M. Parrot et al., URSI Radio Science Bulletin, 2015.
• Primary Joint Statistical Seismic Influence on Ionospheric Parameters Recorded by the CSES and DEMETER Satellites, M. Li et al., JGR Space Physics, 2020
• Pre-Earthquake Ionospheric Anomalies of the Wenchuan Earthquake Studied with DEMETER Satellite, J. Lu et al., Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2023

Perturbations ionosphériques liées aux orages magnétiques

Au début de la mission, DEMETER a subi des orages magnétiques très intenses et cela a permis de mettre en évidence des phénomènes nouveaux qui n'avaient pas été observés jusqu'à maintenant comme le montrent les études de M. Parrot et al., (2006), New observations of electromagnetic harmonic ELF emissions in the ionosphere by the DEMETER satellite during large magnetic storms et J-J. Berthelier et al., (2008), Lightning-induced plasma turbulence and ion heating in equatorial ionospheric depletions.

Le diagramme de J-J. Berthelier et al., (2008) montre un exemple de bulles de plasma au niveau de l'équateur.

Les deux observations nouvelles et vraiment importantes de J-J. Berthelier et al., (2008), concernent l'existence de solitons à la fréquence hybride basse et le chauffage des ions créant une population suprathermique.

L’étude de M. Parrot et al., (2006) apporte un autre exemple de nouvelles émissions recueillies. On peut voir dans chaque hémisphère dans des régions conjuguées magnétiquement des harmoniques aussi bien sur le spectrogramme d'une composante électrique que sur celui d'une composante magnétique. Au même moment, la densité électronique décroît et la température augmente. L'étude a montré que ces émissions sont générées par des ions au niveau de l'équateur.

Pour en savoir plus :

• New observations of electromagnetic harmonic ELF emissions in the ionosphere by the DEMETER satellite during large magnetic storms, M. Parrot et al., Journal of Geophysical Research, 2006
• Lightning-induced plasma turbulence and ion heating in equatorial ionospheric depletions, J-J. Berthelier et al., Nature, 2008

Perturbations ionosphériques liées aux orages atmosphériques

Avec la sélection du micro-satellite TARANIS comme mission dans laquelle la communauté ionosphérique française était engagée, les données recueillies par DEMETER ont été examinées sous un angle nouveau. En effet, DEMETER enregistre les émissions électromagnétiques dues aux éclairs atmosphériques dans toutes ses gammes de fréquence. Des publications montrent la signature HF de certains éclairs puissants ce qui n'avait pas été mis en évidence jusqu'à maintenant.

Enfin la comparaison simultanée des spectrogrammes TBF où l'on voit la signature des éclairs atmosphériques avec les données du détecteur de particules IDP a permis de mettre en évidence la précipitation des particules contenues dans les ceintures de radiation par les ondes qui sont émises par les éclairs et qui se propagent d'un hémisphère à l'autre le long des lignes de force du champ magnétique, comme le montre l’étude de Inan et al., (2007), DEMETER satellite observations of lightning-induced electron precipitation.

Pour en savoir plus : DEMETER satellite observations of lightning-induced electron precipitation, Inan et al., Geophysical Research Letters, 2007

Perturbations ionosphériques liées à l’activité humaine

Le terme utilisé en anglais pour désigner ces émissions dues à l'activité humaine est PLHR (Power Line Harmonic Radiation), c'est-à-dire littéralement les radiations émises par les lignes haute tension aux harmoniques du 50 Hz (ou du 60 Hz aux Etats-Unis). Mais ces lignes ne sont pas les seules à rayonner des harmoniques. Il faut considérer aussi certaines industries lourdes qui peuvent générer de nombreuses harmoniques quand elles convertissent le courant alternatif en continu. Une recherche systématique de ces lignes a été effectuée sur toutes les données burst de DEMETER. On retrouve bien à l'altitude du satellite des lignes espacées de 50 Hz en Europe et de 60 Hz aux Etats-Unis.

Lors d'une campagne de mesure effectuée en Finlande en commun avec DEMETER, un événement remarquable a été enregistré simultanément au sol et à bord du satellite comme le montre la publication de M. Parrot et al., (2007), Simultaneous observation on board a satellite and on the ground of large-scale magnetospheric line radiation.

Des émissions de type PLHR et MLR (Magnetospheric Line Radiation) ont été observées pendant 2 heures et les enregistrements du satellite ont permis de montrer que ces émissions s'étendaient aussi sur une très vaste région y compris dans l'hémisphère opposé. Les MLR sont des lignes qui ne sont pas aux harmoniques exactes du 50 Hz (ou du 60 Hz) et dont les fréquences dérivent en fonction du temps.

Une étude statistique très complète sur les MLR a été effectuée par F. Němec et al., (2009), Survey of magnetospheric line radiation events observed by the DEMETER spacecraft, pour montrer leurs caractéristiques principales (gamme de fréquence, occurrence spatiale...). Ils ont montré que ces émissions sont beaucoup plus répandues que l'on croyait et qu'elles avaient lieu lors d'une activité magnétique non négligeable, plus principalement à la longitude des Etats-Unis.

Les émetteurs TBF au sol sont principalement utilisés pour les communications par les militaires. Ils émettent à des fréquences fixes et leurs ondes se propagent par rebond dans la guide Terre-ionosphère. Mais l'ionosphère n'est pas régulière et ces ondes peuvent aussi traverser l'ionosphère et être observées par un satellite. DEMETER a montré que l'émetteur le plus puissant NWC en Australie perturbe l'ionosphère en la chauffant sur une grande échelle comme le montre l’étude de M. Parrot et al., (2007), First in-situ observations of strong ionospheric perturbations generated by a powerful VLF ground-based transmitter. Le diagramme qui suit montre un exemple de ces modifications ionosphériques qui sont observées à l'altitude du satellite.

Les ondes qui traversent l'ionosphère et qui se propagent dans l'hémisphère opposé peuvent aussi perturber les particules des ceintures de radiation comme cela a été étudié par J-A . Sauvaud et al. (2008), Radiation belt electron precipitation due to VLF transmitters: Satellite observations. Une carte représentant une vue globale du flux de particules mesuré par l'instrument IDP autour de la Terre est montrée dans la carte suivante. On peut voir que l'effet de l'émetteur NWC est particulièrement important.

Pour en savoir plus :

• Simultaneous observation on board a satellite and on the ground of large-scale magnetospheric line radiation, M. Parrot et al., Geophysical Research Letters, 2007
• Survey of magnetospheric line radiation events observed by the DEMETER spacecraft, F. Němec et al., Journal of Geophysical Research, 2009
• First in-situ observations of strong ionospheric perturbations generated by a powerful VLF ground-based transmitter, M. Parrot et al., Geophysical Research Letters, 2007
• Radiation belt electron precipitation due to VLF transmitters: Satellite observations, J-A. Sauvaud et al., Geophysical Research Letters, 2008

Expériences actives

De nombreuses expériences actives ont été menées en collaboration avec DEMETER. Elles concernent principalement le chauffage ionosphérique à hautes latitudes avec des émetteurs puissants comme HIPAS et HAARP en Alaska (Platino et al., 2006), Sura en Russie, et EISCAT en Norvège (Tromsoe). Une onde porteuse à une fréquence de plusieurs MHz est émise avec une modulation pour changer la conductivité ionosphérique par chauffage. Le courant de l'électrojet polaire est alors modulé et produit des ondes dans la gamme EBF/TBF (Figures ci-dessous). Ces expériences permettent d'étudier la propagation des ondes et leurs effets sur les ceintures de radiation. Une autre expérience a été aussi effectuée en Ukraine pour étudier la propagation d'une onde acoustique jusqu'à l'altitude du satellite.

Spectrogramme enregistré le 29 Juillet 2007 quand DEMETER passe au-dessus de HAARP. Des pulses et des rampes ont été générés dans l'ionosphère.

Spectrogramme enregistré le 23 Août 2007 dans une région conjuguée de l'Alaska dans l'hémisphère sud. Les pulses générés par HAARP se sont propagés le long des lignes de force du champ magnétique. On voit aussi à la fin de certains pulses des émissions déclenchées supplémentaires dues à des interactions avec des particules énergétiques.