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L'environnement radiatif hostile de la Terre
L'environnement spatial de la Terre semble faussement vide aux yeux de l'homme. Cette région est cependant peuplée d'une pléthore de particules de nature, d'origine et d'énergie différentes.
Lorsqu'elles atteignent le sommet de l'atmosphère, les particules à haute énergie entrent en collision avec les molécules de l'atmosphère, ce qui entraîne des processus d'ionisation. Pour les particules très énergétiques, les collisions avec les constituants de l'atmosphère déclenchent le développement de pluies de particules secondaires qui se propagent jusqu'à la surface de la Terre.
Il est important d'étudier et de modéliser avec précision les effets du rayonnement spatial sur l'atmosphère, car ils jouent un rôle important pour la santé et le système climatique.
- D'une part, les changements dans les taux d'ionisation peuvent entraîner une modification temporaire de la composition et de la dynamique de l'atmosphère.
- D'autre part, l'augmentation de la dose de rayonnement dans l'atmosphère causée par un événement solaire important peut constituer une menace significative pour l'homme, en particulier pour l'équipage des avions qui est exposé à des niveaux de rayonnement plus élevés à l'altitude des vols commerciaux qu'au niveau de la surface.
Simulation avec AtRIS (Atmospheric Radiation Interaction Simulator)
Pour calculer l'ionisation et le débit de dose de rayonnement induits par les particules énergétiques provenant de l'espace, nous utilisons une boîte à outils de simulation appelée AtRIS ou Atmospheric Radiation Interaction Simulator (Banjac et al., 2019). Cet outil basé sur GEANT4 injecte des particules au sommet d'une atmosphère simulée et calcule l'ionisation résultante, les débits de dose et la production de particules secondaires.
Lorsque nous calculons ces quantités, la considération la plus importante est l'effet de blindage du champ géomagnétique terrestre. Il empêche une partie des particules énergétiques d'atteindre le sommet de l'atmosphère, en particulier aux basses latitudes. Les cartes de la figure 1 illustrent très bien cet effet, avec une faible ionisation induite aux basses latitudes (blindage élevé) et une forte ionisation au-dessus des régions polaires (pas de blindage du tout).
De plus, nous avons montré que l'état de l'atmosphère avait également une influence sur les quantités calculées. En effet, les changements dans le profil de densité atmosphérique entraînent des variations dans l'ionisation et les débits de dose, comme le montre la figure 2. Aux latitudes élevées, il existe une forte variabilité saisonnière de l'ionisation, qui est maximale pendant l'hiver local.
Bien que le champ géomagnétique ait le plus d'impact, la figure 1 montre que les différents profils de densité dans les deux hémisphères conduisent à une asymétrie de l'ionisation entre les régions polaires (Winant et al., 2023).
Les travaux futurs visent à inclure les protons solaires dans les simulations afin d'étudier l'effet des tempêtes solaires sur l'atmosphère ainsi que les trajectoires du rayonnement secondaire qui en résulte.
Références
- Banjac, S., Herbst, K., & Heber, B. (2019). The Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS): Description and Validation. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124(1), 50-67.
- Winant, A., Pierrard, V., Botek, E., & Herbst, K. (2023). The Atmospheric Influence on Cosmic-Ray-Induced Ionization and Absorbed Dose Rates. Universe, 9(12), 502.
