L’observation des éclairs

Les principaux instruments dédiés à l’observation des éclairs embarqués à bord de satellite sont les détecteurs optiques, comme OTD (Optical Transient Detector) et LIS (Lightning Imaging Sensor). Le premier (plus en service à l’heure actuelle) fut embarqué à bord du satellite Micro-Lab-I développé par la NASA en 1995. Placé en orbite héliosynchrone (710 km d’altitude) et capable de fonctionner de jour comme de nuit, cet instrument détectait les événements avec une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde sur une surface de 1300 × 1300 km², couvrant les régions du globe dans lesquelles se produisent habituellement les éclairs. Ce fut l’un des premiers systèmes de détection spatiale embarqué. Il détectait les éclairs en identifiant dans une scène optique les modifications passagères de luminosité engendrées par des éclairs (IC ou CG) avec une efficacité de l’ordre de 40 %.

OTD fut un prototype du système LIS, embarqué sur le satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) lancé en 1997. Ce capteur permet de détecter et localiser tous les types d’éclairs se produisant dans les régions tropicales du globe (entre 35 °N et 35 °S) et permet d’en produire une climatologie. Il est trois fois plus sensible que son prédécesseur OTD et son efficacité de détection est estimée à 90 %. Ce détecteur optique est optimisé pour détecter et localiser les éclairs avec une résolution de 5 à 10 km sur une région de 600 × 600 km². Les données qu’il enregistre sont : l’heure de l’éclair, son énergie radiative (i.e., la luminosité de l’éclair), ainsi qu’une estimation de la position de l’éclair.

De plus dans le cadre des nouvelles générations des satellites géostationnaires Météosat (MTG : Meteosat Third Generation) pour l’Europe et GOES pour les USA, il devrait également être développé un volet consacré à l'observation des éclairs (LI : Lightning Imagery pour Météosat et LMS : Lightning Mapper Sensor pour GOES) à l’aide notamment d’un capteur optique.

1.5.1.2 Au sol

1.5.1.2.1 Le réseau français : METEORAGE

Le réseau français de détection des éclairs (figure 1.13) est opérationnel depuis 1987. Au cours des années il a subi des améliorations avec notamment l’installation de capteurs de type IMPACT en décembre 1996, l’amélioration des algorithmes de fonctionnement en 1999, et le passage à un système numérique en 2009. Il est constitué de 18 balises distantes d’environ 200 km chacune, ayant un rayon de détection de l’ordre de 400 km. La couverture de l’ensemble du territoire est renforcée par l’addition de capteurs en Belgique, Allemagne, Italie et Suisse, constituant ainsi un réseau de 30 capteurs. Le système de détection est basé sur le fait que tout éclair émet un signal électromagnétique se propageant de façon concentrique autour de lui. Pour un éclair CG, cette onde peut se propager sur plusieurs centaines de kilomètres dans les basses fréquences (LF : « Low Frequency »).

Figure 1.13 : Carte du réseau Météorage (août 2002). Les capteurs localisés en rouges (bleus) appartiennent au réseau français (aux autres pays).

Ainsi les capteurs du réseau (dont la bande passante est comprise entre 1 et 400 kHz) mesure en continue les champs électrique et magnétique environnant. Lorsqu’une valeur seuil

est dépassée (de l’ordre de 0,3 V m^-1) le capteur analyse et reconnaît l’onde, ce qui lui permet

d’en mesurer différents paramètres tels que :

- la direction angulaire fournie par la mesure du champ magnétique,

- le temps d’arrivée de l’onde au capteur,

- la polarité, l’intensité du courant de crête, le temps de montée et la largeur de

l’impulsion, fournies par le champ électrique.

Tous les capteurs sont synchronisés par le GPS (Global Positionning System) et possèdent la même base de temps. La précision de la datation est ainsi inférieure à 1 µs.

La direction angulaire de l’impact et le temps d’arrivée de l’onde à chaque capteur sont utilisés dans le calcul de localisation de l’éclair par un algorithme qui combine la goniométrie (mesure des angles) et la différence de temps d’arrivée (Cummins et al., 1998). C’est ce qui est appelé la technologie IMPACT.

La technique de la différence des temps d’arrivée repose sur le temps que va mettre le signal à atteindre plusieurs capteurs du réseau. Afin d’obtenir une localisation fiable, il faut en général que le signal soit détecté par quatre balises. Si c’est le cas, une hyperbole est construite (pour chaque couple de stations) à partir de la différence de temps d’arrivée entre le

point d’origine du signal et deux capteurs (la vitesse de propagation de l’onde et la distance entre les stations étant connue). L’intersection de ces hyperboles permet la localisation de la source du signal.

La goniométrie quant à elle se base sur la mesure de l’azimut de la source du signal détecté par rapport au capteur (angle entre le nord et la direction de la source). Si cette mesure est effectuée par plusieurs capteurs, il est alors possible de déterminer la position de la source et donc de l’impact par triangulation. Afin d’appliquer cette méthode, il est préférable que l’éclair soit détecté par au moins trois capteurs afin d’avoir une meilleure estimation de sa localisation.

La technologie IMPACT permet donc d’associer ces deux méthodes afin d’améliorer la précision de localisation de l’éclair. A l’heure actuelle, la précision de localisation est inférieure en moyenne à 1 km, et l’efficacité de détection est d’environ 90 % sur la plupart du territoire français, hormis pour quelques zones périphériques, où cette efficacité reste proche de 70 %.

Les informations fournies pour chaque éclair sont donc : l’heure, sa position en longitude et latitude, et l’intensité du courant crête de l’éclair. Le réseau ne détecte pas ou peu les éclairs intra-nuage. Afin de ne pas confondre éclair nuage-sol et éclair intra-nuage, le capteur réalise un filtrage des mesures en comparant la forme de chaque signal enregistré à un gabarit correspondant à la signature d’un arc-en-retour. Les signaux ne correspondant pas à ce gabarit sont éliminés des jeux de données.

D’autres réseaux de détection des éclairs existent. Le réseau américain NLDN (National Lightning Detection Network), composé de plus d’une centaine d’antennes, fonctionne de la même manière que le réseau Météorage (capteur de type IMPACT). Les réseaux britannique (ATDnet) ou grecque (ZEUS) utilisent la technique de différence des temps d’arrivée dans une gamme de longueur d’onde à très basse fréquence (VLF) inférieure à 15 kHz. Ces systèmes peuvent ainsi détecter des éclairs à très grande distance, mais avec une précision et une efficacité qui diminuent en fonction de l’éloignement de l’éclair aux stations. Le réseau de détection allemand (LINET) fonctionne quant à lui en basse fréquence (entre 200 et 400 kHz). Il utilise la radiogoniométrie ainsi que la technique de la différence des temps d’arrivée. Ce système à la particularité de permettre une distinction entre source intra-nuageuse et impact au sol (Betz et al., 2004).

1.5.1.2.2 Les systèmes très hautes fréquences (VHF)

Plusieurs instruments ont fonctionné dans ces gammes de fréquence. On peut par exemple citer le système SAFIR (Système d’Alerte Foudre par Interférométrie Radioélectrique) développé à l’ONERA (Richard et al., 1986) qui a fonctionné en Ile de France entre 1991 et 2002. Ce système utilise la technique d’interférométrie afin de localiser les sources des signaux VHF détectés. Il est composé d’un ensemble de trois stations constituées d’antennes triples afin de mesurer la différence de phase entre les signaux arrivant simultanément sur chacune des antennes. La fréquence de détection est proche de 100 MHz avec une résolution de l’ordre de 100 µs. L’objectif est de déterminer les coordonnées horizontales des points sources. La puissance rayonnée par l’éclair en VHF est toutefois plus faible que celle rayonnée en LF ou VLF, la portée d’un tel système est donc beaucoup plus limitée, mais permet de détecter les sources intra-nuageuses.

On peut également citer le système américain, qui sera utilisé durant les périodes d’observations spéciales de la campagne Hymex : le Lightning Mapping Array (LMA). C’est un système de détection 3D des décharges constituant les éclairs se trouvant dans le nuage, développé par le New Mexico Institute of Mining Technology (Rison et al., 1999 ; Krehbiel et al., 2000). Il fonctionne en VHF (60 - 66 MHz) et peut donc détecter en plus des pics de courant dus à la circulation de l’éclair complet, les rayonnements émis aux premiers stades de

développement des éclairs. Pour un éclair donné, le LMA peut restituer quelques centaines, voire milliers, de sources fournissant ainsi une carte détaillée de l’activité électrique totale. La technique utilisée pour déterminer la position d’une source est celle de la différence de temps d’arrivée à partir de 6 stations (4 au minimum) ou plus. La précision de la localisation dépend de celle avec laquelle est mesurée le temps d’arrivé ainsi que du nombre de stations prises en compte pour localiser la source. Les temps d’arrivée sont mesurés de manière indépendante à chaque station en utilisant une base de temps précise donnée par le GPS (Thomas et al., 2004). Ce système permet de couvrir de faibles domaines (autour de 150 km) à l’aide d’une douzaine de stations. Cependant il est facilement transportable, et permet donc d’être déployé lors de campagnes de mesure spécifiques.

En plus de fournir une cartographie détaillée des éclairs, le LMA permet d’identifier plusieurs zones de charge dans le nuage. Nous avons vu plus haut, que dans les premières phases d’un éclair, il y avait la formation d’un leader qui se propage à travers une zone de charge de polarité opposée. Nous avons également vu que ce leader était bidirectionnel (Kasemir 1960, Mazur ans Ruhnke, 1993). La partie négative de ce leader est détectée de façon préférentielle car les sources négatives génèrent des rayonnements plus puissants que les positives (Thomas et al., 2001). Le LMA détectera donc plus de sources pour les leaders négatifs que pour les positifs. Donc la partie de l’éclair bien définie par le LMA, sera la partie portant les charges négatives et se propageant donc dans une zone de charge positive (Wiens et al., 2005, Bruning et al., 2007). A l’inverse, la partie de l’éclair pour laquelle la description du canal de l’éclair sera composée de moins de sources, sera identifiée comme transportant des charges positives et donc se propageant à travers une région de charge négative.

1.5.2 L’observations du nuage