Approche du Maximum Solaire éminente

Le 30 mars 2022, notre Soleil a émis une puissante éruption. Ce phénomène est impressionnant. Ces tempêtes géomagnétiques troublent fortement les équipements électroniques dans notre quotidien : satellites, réseau de télécommunications et de géolocalisation …

Quelles sont les conséquences réelles sur les appareils de mesure GNSS ? Comment prévenir les perturbations et continuer son activité de topographie sur le terrain ?

L'Activité Solaire

Comme pour toute étoile, l’activité du Soleil est permanente avec régulièrement des expulsions d’énormes jets de matières appelées éruptions solaires.

Le Soleil possède ce que l’on appelle « une couronne solaire » composée de plasma, gaz complètement ionisé, dont la température est supérieure à celle de sa surface. Lors d’éruptions solaires, des jets de plasma, d’ondes magnétiques et de particules chargées sont expulsés dans l’espace interstellaire à une vitesse allant jusqu’à 2 000 kilomètres par seconde.

Les éruptions solaires sont toutes différentes en puissance avec une durée qui varie de quelques minutes à quelques heures. Les conséquences sur notre planète dépendent de leurs intensités. Pour cette raison, les services de météorologie spatiale se chargent de les surveiller et de les évaluer.

Echelle de mesure des éruptions solaires

Les éruptions solaires sont évaluées en fonction de leurs intensités (watts/m²) sur une échelle équivalente à celle de de Richter en sismologie.

Elles sont classées en six catégories, A, B, C, M et enfin X et X10 pour les plus puissantes (l’éruption solaire de 1859 dite Évènement de Carrington). Chaque catégorie correspond à une intensité 10 fois supérieure à la précédente. À cette valeur alphabétique s’ajoute un coefficient identitaire allant de 1 à 9.

Les éruptions solaires puissantes des classes M et X peuvent provoquer des éjections de masse coronale (EMC). Les éjections de masse coronale possèdent leurs propres champs magnétiques. Les EMC peuvent alors provoquer des perturbations de champs magnétiques. Lorsque quelles se dirigent vers la Terre, elles peuvent avoir des effets sur notre environnement planétaire.

Ejection de Masse Coronale, Tempête Solaire

Les éjections de masse coronale (EMC) aussi appelées plus communément « tempêtes solaires ». Les EMC  sont des bulles de plasma souvent provoquées à la suite d’une forte éruption solaire.

Ces bulles géantes modifient les caractéristiques atomiques du vent solaire. Le vent solaire se déplace dans l’espace interstellaire dans toutes les directions y compris la Terre.

Le champ magnétique des tempêtes solaires (EMC) est très fort. Quand les éjections se dirigent vers la Terre et l’atteignent, leurs champs magnétiques interagissent avec notre bouclier magnétique (magnétosphère terrestre). Les reconnexions magnétiques des deux champs provoquent des tempêtes géomagnétiques. On observe une compression des lignes de champ terrestre allant jusqu’à leur ouverture. Cette réaction engendre un affaiblissement de notre bouclier magnétique.

Affaibli, notre bouclier devient alors temporairement perméable à certaines émissions solaires. Lorsque des éjections de masse coronale se succèdent en direction de la Terre, les effets sur l’environnement terrestre et nos appareils technologiques peuvent alors être très importants.

En général, la grande majorité des particules émises par les vents solaires est bloquée par le champ magnétique terrestre et n’a donc aucune conséquence. Ce phénomène est visible sur Terre dans les zones proches des pôles et porte le nom d’ « aurore polaire ».

Cependant, depuis le début d’année le Soleil subit des éjections de masse coronale (EMC) quasi-quotidiennement, selon la National Oceanic and Atmospheric Admistration. Et, sa fréquence va continuer de s’intensifier. Pourquoi  ?

Le Cycle Solaire

Le Soleil est soumis comme la Terre, à un rythme  de saisons qui se succèdent de manière presque constante. Nous parlons alors de Cycle Solaire, dont la durée moyenne est 11.2 années (varie entre 9 et 25 années). 

L’un des critères de détermination de l’avancement du cycle solaire est le nombre de tâches visibles à la surface du Soleil. Il y en a peu dans le Minimum Solaire et elles sont nombreuses dans le Maximum Solaire.

Les taches solaires sont la conséquence d’une activité magnétique intense. L’activité est si puissante, qu’elle freine la convection (circulation) de matière et réduit l’afflux thermique à la surface du Soleil. Ainsi des zones deviennent moins chaudes que d’autres. C’est la raison pour laquelle nous pouvons observer une différence de contraste à la surface de notre étoile. Quand il y a beaucoup de taches solaires, il y a beaucoup d’éruptions et de tempêtes solaires.

Ainsi, lors du maximum solaire les tempêtes solaires sont à leur apogée. Il y a une probabilité d’apparition importante de tempêtes solaires de catégorie M et X.

Actuellement, nous sommes proches du Maximum Solaire qui devrait être atteint entre 2023 et 2025. Les tempêtes solaires et les éjections seront donc très actives. Seule une faible partie des tempêtes solaires est à direction de Terre. Toutefois, les impacts sur notre environnement peuvent malgré tout être nombreux.

Ci-dessous, le graphique mettant en exergue les variations de l’activité solaire suivant le cycle d’activité solaire de onze ans. Sont précisées en rouge les valeurs estimées ainsi qu’anticipées et en noir les valeurs réelles mesurées mensuellement.

 https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression

Quelques conséquences des éruptions solaires

En 1859
L'événement de Carrington, est connu aujourd’hui comme le plus grand orage géomagnétique jamais enregistré (supérieur à la catégorie X10). Il a perturbé les services télégraphiques en Amérique du Nord et en Europe. Certains témoignages indiquent que les lignes télégraphiques étaient mises sous tension sans aucune source électrique, que des opérateurs se seraient électrocutés ou encore que certaines lignes télégraphiques auraient pris feu. Si cet évènement avait eu lieu de nos jours, les conséquences auraient été beaucoup plus importante.
En 1989
Les EMC les plus intenses peuvent produire des courants telluriques dans les longues lignes électriques, générant des tensions et des courants d'intensité considérable pouvant aller au-delàs des seuils de sécurité des équipements de réseau. En 1989 et en 2003, des courants telluriques ont occasionné localement un blackout électrique.
5, 6,13 et 14 décembre 2006
Les signaux du réseau satellite GPS ont été fortement perturbés durant plusieurs heures suite à de gigantesques éjections de masse coronale mesurées pour la plus intense à X9.
5 avril 2010
Une éruption solaire a perturbé la trajectoire d’un satellite de télécommunication en orbite, en coupant toute communication avec la station de contrôle. Le satellite Galaxy 15 d’IntelSat est alors devenu incontrôlable.
17 Avril 2015
Une éjection de masse coronale de catégorie M1.05 a provoqué des orages magnétiques ayant eu des conséquences sur les services PPP et RTK en Norvège. Lors de cet événement, connu sous le nom de la Tempête de la St Patrick, une baisse significative de la précision a pu être observée. Cela serait dû à la forte diminution du nombre de satellites de positionnement pris en compte suite à des perturbations sur la couche ionosphérique.
4 février 2022
40 des 49 satellites lancés par le programme SpaceX n’ont pas atteint leurs orbites et ont été détruits dans l’atmosphère.
En mars 2022
C’est un blackout radio provoqué par une éruption solaire de classe X qui a touché les Amériques, l’Asie du Sud-Est et l’Australie.

De manière plus générale, une forte tempête solaire peut provoquer :

Surcharge des transformateurs électriques provoquant des blackout électriques

Des dommages sur les satellites en orbite haute

Des perturbations sur l’horodatage des transaction financières…

Irradiation des passagers lors des voyages en avion

Des perturbations des signaux de télécommunication

La météo spatiale, nous permet d’anticiper l’humeur du Soleil et d’apporter des solutions pour en limiter les impacts.

Impacts sur les appareils GNSS

Comme évoqué ci-dessus, le vent solaire, les éjections de matière ionisée… entrainent des reconnexions magnétiques lorsqu’elles atteignent la magnétosphère terrestre. Cette interaction est à l’origine d’orages magnétiques.

Ces orages magnétiques surviennent dans l’ionosphère, couche atmosphérique où évoluent les satellites et depuis laquelle sont émis les signaux de télécommunications et de géolocalisation.

L’activité solaire provoque donc des fluctuations d’ionosphère qui engendre de nombreux dysfonctionnements sur les appareils électroniques dont les matériels GNSS. Les appareils GNSS réceptionnent des signaux traversant cette couche atmosphérique alors perturbée.

En plus de l’impact du magnétisme sur les appareils en tant que tel, le retard de signaux dû à l’ionosphère est une des sources principales d’erreur en GNSS. Les perturbations soudaines de cette couche atmosphérique en font un sujet d’une importance majeure.

Les appareils Monofréquence

Un appareil GNSS (communément appelé GPS) monofréquence calcule sa position par triangulation en utilisant qu’une seule fréquence (L1) émise par plusieurs constellations de satellites (voir notre article « GNSS comment ça marche » ).

Pour corriger les erreurs liées à la traversée des signaux dans l’ionosphère, les récepteurs monofréquence intègrent une modélisation de l’ionosphère qui peut s’avérer inadaptée lors d’orages magnétiques soudain.

En conséquence, la précision du récepteur peut fortement se dégrader et dans certains cas, il devient impossible de fixer les ambigüités même sur de courtes lignes de base.

Les appareils Bi-Fréquence

Depuis plusieurs années, les appareils GNSS se sont améliorés par l’utilisation d’un deuxième signal (L2). Avec le fonctionnement en bi-fréquence, il n’est plus nécessaire d’utiliser de modèle ionosphérique. Il est possible d’utiliser par combinaison linéaire une fréquence dite iono-free pour résoudre les ambiguïtés. Il y a donc moins d’erreurs à corriger lors des calculs de position. L‘appareil peut alors fournir  un positionnement précis.

Bien que le sujet de la modélisation de l’ionosphère soit résolu, un autre subsiste, celui de la « scintillation ».Les fortes éruptions solaires, telles que les EMC, peuvent générer des changements rapides de phase et d’amplitude des signaux. Cette scintillation importante dans les basses fréquences peut engendrer un rejet de certains satellites générant une perte de précision ou l’arrêt du service de positionnement de l’appareil.

Conséquences pratiques sur le terrain

Lors d’une EMC, on observera une perte significative de la précision en début et fin d’épisode de tempête magnétique. A l’apogée de la tempête, les solutions de géolocalisation seront probablement perdues. Tous les récepteurs restent impactés par les perturbations ionosphériques. Les récepteurs bi-fréquences conservent une précision bien meilleure que les monofréquences.

Concrètement, les fluctuations d’ionosphère empêchent un récepteur GNSS de fixer les ambiguïtés. Même si le récepteur utilise un service d’augmentation de la précision, il reste dans le mode RTK Float et ne peut atteindre qu’une précision décimétrique.

Aujourd’hui, beaucoup d’appareils sont monofréquences dans les produits Grand public. Ils sont bi-fréquences pour les appareils professionnels de mesure d’entrée et de milieu de gamme.
Comme évoqué, les perturbations ionosphériques vont continuer de s’accroitre sur plusieurs années avec un maximum solaire en 2024-2025, il est donc important d’anticiper cet élément sur le terrain et d’y apporter une solution.

Les solutions

Le phénomène de perturbation ionosphérique est ponctuel. Il impacte principalement les mesures en milieu de journée où les perturbations sont les plus intenses. Il reste d’une ampleur relativement faible comparativement aux perturbations mesurées au niveau de l’équateur magnétique.
Si votre appareil est mono ou bi-fréquence, il est donc recommandé de privilégier une utilisation en début et fin de journée.

Afin de mieux cerner les plages favorables d’utilisation, TERIA propose de consulter le niveau de perturbation ionosphérique en temps réel. Pour cela, vous pouvez observer l’état de l’Ionosphère directement sur cet article grâce au module ci-contre développé par nos ingénieurs

Vous pouvez également télécharger l’application iTERIA pour plus de simplicité et avoir cette information à tout moment sur le terrain.

Télécharger App iTERIA

Que faire lorsque la réalisation des levés en milieu de journée est impérative ?

Depuis peu, une nouvelle génération d’appareils utilisent plusieurs fréquences supplémentaires. Leur fonctionnement en tri-fréquence, voire quadri-fréquence sur certaines constellations, permet une redondance d’informations cruciale pour corriger les erreurs provoquées par les perturbations ionosphériques. Effectivement, l’utilisation de trois fréquences ou plus rend possible l’identification des erreurs de mesures éventuelles et leur exclusion. L’élargissement de la plage de fréquences améliore ainsi le traitement iono-free tout en réservant une fréquence pour le contrôle.

Le PYX by TERIA qui est équipé d’une carte GNSS tri-fréquence pouvant évoluer vers de la quadri-fréquence, appartient à cette toute dernière génération haut de gamme. L’amélioration de la résolution des ambigüités apporte une  fiabilité supplémentaire aux mesures. Il n’est ainsi que faiblement impacté par les perturbations ionosphériques.

Néanmoins, même si votre appareil est de nouvelle génération, s’il utilise un service de positionnement N-RTK qui n’est pas :

– full GNSS multifréquence,

– assisté par un support technique,

– suivi par un audit et une maintenance permanente du réseau qui garantissent son intégrité,

– contrôlé en continu notamment sur l’activité ionosphérique;

Il se pourrait que vous ne puissiez pas faire de mesures lors de pics ionosphériques. Effectivement, il est nécessaire que les corrections intègrent des messages à traiter pour chaque fréquence.

Il est donc important de vérifier les spécifications techniques lors de l’achat de votre mobile GNSS et d’opter pour un service de correction NRTK certifié ISO.
La qualité de ces deux éléments vous permettra de travailler en toute sérénité.

Les Solutions TERIA

 

TERIA, certifié ISO, répond à ces critères de qualité. Au-delà de  son réseau de plus de 240 stations GNSS (sur le territoire français), TERIA est aussi en mesure de fournir des corrections Full GNSS en Europe sur l’ensemble des fréquences GNSS disponibles au travers des constellations associées. Le suivi en temps réel effectué sur nos serveurs nous permet de prévenir les évènements ionosphériques et d’alerter les utilisateurs.

L’offre All-in-One PYX, vous permet d’avoir un récepteur made in France haut de gamme accompagné de tous ses accessoires et doté d’un service NRTK certifié ISO 9001 et 14001.

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