Localisation des satellites Cluster dans l'environnement spatial terrestre
Grâce au projet GRMB, les chercheurs de l'IASB ont contribué à faire le point sur 24 ans de mesures Cluster en déterminant dans quelle région de la magnétosphère se trouvent les satellites à un moment donné. Cela n'est pas évident car la forme et les dimensions de ces régions changent constamment en raison de l'interaction avec le vent solaire.
La mission Cluster
La mission Cluster de l'Agence spatiale européenne (ESA) a été lancée durant l'été 2000. Elle était constituée de quatre satellites identiques en orbite autour de la Terre, évoluant selon une trajectoire soigneusement chorégraphiée et justement nommés Rumba, Salsa, Samba et Tango. La mission s'est achevée en septembre 2024 avec la rentrée de Salsa dans l'atmosphère terrestre ; les autres satellites suivront en novembre 2025 et en août 2026.
L'objectif de cette mission était l’étude de l'interaction entre le vent solaire et la bulle magnétique qui entoure la Terre, la magnétosphère. Cluster a recueilli des données uniques sur la magnétosphère terrestre et le vent solaire proche de la Terre, à l'aide de 11 instruments scientifiques, durant plus de 24 années.
Le projet GRMB
Grâce à leur orbite allongée à forte inclinaison, les satellites Cluster ont traversé presque toutes les régions de la magnétosphère. Etant donné que la forme et les dimensions de la magnétosphère varient continuellement en raison de divers effets liés à la météorologie spatiale, il ne suffit pas de connaître la position du satellite pour identifier la région dans laquelle il se trouve.
La classification correcte des mesures et l'identification des régions et frontières traversées par les satellites Cluster augmente la valeur ajoutée de l'énorme quantité de données acquises durant plus de 24 ans. Faire correspondre des données scientifiques à des régions magnétosphériques spécifiques permet de réaliser des études statistiques sur les processus fondamentaux qui se produisent dans une région particulière, tels que le remplissage de la plasmasphère, la reconnexion à la magnétopause, la turbulence ou la propagation des ondes dans la magnétosphère.
L'IASB a été activement impliqué dans un projet de l'ESA dont l'objectif était exactement celui-là : le projet GRMB, ou « Geospace Region and Magnetospheric Boundary identification » (identification des régions de l'espace et des frontières de la magnétosphère). Ce projet a débuté en octobre 2022 pour une durée de 2 ans sous la direction de l'IAP (« Institute of Atmospheric Physics ») à Prague, en République Tchèque, et il a été prolongé de 2 années supplémentaires pour inclure les données de Cluster enregistrées en 2023 et 2024.
La base de données GRMB
La première étape du projet a consisté à définir les régions de l’espace dans l’environnement terrestre qui allaient servir de catégories pour la classification, ainsi que leurs propriétés et les données Cluster pertinentes pour leur identification. Un outil a été développé pour permettre à des opérateurs humains d'identifier manuellement les régions et les frontières.
Cette classification manuelle, basée sur des graphiques pré-générés à partir de 44 jeux de données Cluster provenant de 6 instruments différents, permet de définir des labels pour 15 régions, s'étendant de la plasmasphère au vent solaire : 4 labels couvrent des régions situées en dehors de la magnétosphère, 9 labels des régions situées à l'intérieur de celle-ci, et 2 labels reflètent des lacunes dans les données ou des périodes où la classification ne peut pas être faite (principalement en raison du manque de données disponibles). Cette classification a été validée de plusieurs manières, par exemple en vérifiant si les valeurs de certaines quantités physiques sont compatibles avec la région associée.
L'ensemble des données du projet GRMB est désormais publiquement accessible sur le site d’archivage des données Cluster de l'ESA.
Publication dans “Nature Scientific Data”
Une description complète des données GRMB a été publiée dans « Nature Scientific Data ». Cet article décrit en détail la méthodologie utilisée pour constituer cet ensemble de données. Il décrit la validation de la méthode à l’aide de différents types de comparaisons. Une des vérifications consiste à comparer la localisation de régions ou frontières de la base de données GRMB avec leurs positions prédites par des modèles.
Un exemple est présenté sur la figure 2 pour le choc d'étrave (onde de choc formée lorsque le vent solaire supersonique commence à être dévié autour de la magnétosphère terrestre) et la magnétopause (limite entre la magnétosphère terrestre et le vent solaire) pour Cluster 1 (Rumba) en 2003, mettant en évidence que les positions dans la base de données GRMB et les positions prédites correspondent très bien.
La figure 3 résume la fréquence à laquelle chaque satellite Cluster a visité les différentes régions entre 2001 et 2007. Les deux premières années contiennent une plus grande proportion de données N/A car la mission fonctionnait encore en mode d'observation non continue. De 2003 à 2007, les satellites Cluster ont passé ~40% du temps dans les 4 régions situées en dehors de la magnétosphère et ~60% dans les 9 régions situées à l'intérieur de celle-ci.
Publication dans “Nature Scientific Data”
- Grison, B., Darrouzet, F., Maggiolo, R. et al. (2025). Localization of the Cluster satellites in the geospace environment. Nature Scientific Data, 12, 327. https://www.nature.com/articles/s41597-025-04639-z.
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