Les satellites sont perdus dans les tempêtes solaires et mettent des semaines à être retrouvés
En octobre 2003, les contrôleurs de satellites ont perdu la trace de centaines d’engins spatiaux pendant des jours après qu’une importante tempête solaire a frappé la Terre. Les experts craignent qu’avec la prolifération des satellites et des débris en orbite autour de la planète depuis près de deux décennies, la prochaine tempête solaire majeure ne plonge l’espace proche de la Terre dans le chaos pendant des semaines.
Le réseau américain de surveillance spatiale (SSN) suit actuellement environ 20 000 objets de plus de 10 centimètres dans orbite terrestre basse, la zone de l’espace à des altitudes inférieures à 620 miles (1 000 kilomètres). Certains de ces objets sont des satellites opérationnels, mais la plupart sont des engins spatiaux obsolètes, des étages de fusées épuisés et des fragments de débris créés lors de collisions. Les experts du SSN utilisent des mesures radar pour maintenir un catalogue qui leur permet de garder un œil sur la position de ces objets dans l’espace et de projeter leurs orbites dans le futur. Lorsque deux objets, par exemple une pièce débris spatiaux et un satellite, qui semble se rapprocher dangereusement, donne un avertissement à l’opérateur du satellite. Dans certains cas, ils portent manœuvres d’évitement pour éviter un crash.
Mais il ya un hic. Les positions de ces objets ne sont pas toujours précises et cette incertitude augmente avec le temps tempêtes solairesparfois à un point tel qu’il est impossible de prévoir avec précision les collisions.
“Dans les plus grosses tempêtes, les erreurs orbitales deviennent si importantes que le catalogue des objets orbitaux devient essentiellement invalide”, a déclaré à Space.com Tom Berger, physicien solaire et directeur du Space Weather Technology Center de l’Université du Colorado à Boulder. “Les objets peuvent se trouver à des dizaines de kilomètres des dernières positions localisées par radar. Ils sont essentiellement perdus et la seule solution est de les retrouver avec un radar.”
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Changements imprévisibles de traînée
Cette incertitude est due aux changements de densité de la thermosphère terrestre, la couche supérieure de la Terre atmosphère à une altitude de 60 à 370 miles (100 à 600 km). Les gaz légers à ces altitudes interagissent avec les particules émises par le soleil dans éjections de masse coronale (CME), de grandes rafales de plasma magnétisé provenant du haute atmosphère du soleil, la couronne. Ces interactions chauffent la thermosphère et la font gonfler. Les gaz plus denses des basses altitudes se déplacent plus haut là où les satellites subissent soudainement une plus forte résistance, changeant leur vitesse et les déplaçant vers Sol.
Berger, qui a décrit ses préoccupations dans un article intitulé Voler à travers l’incertitudepublié en 2020 dans le magazine Space Weather, n’est pas le seul à s’inquiéter des effets d’une tempête solaire majeure.
“Si nous obtenons un très grand événement et que nous voyons un réchauffement intense de la [upper] l’atmosphère, les satellites ne seront pas là où ils devraient être”, a déclaré à Space.com Bill Murtagh, coordinateur du programme du Space Weather Prediction Center (SWPC) de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) des États-Unis.
“Il y aura une traînée extraordinaire sur ce vaisseau spatial et il ne sera pas uniforme à un endroit particulier à une altitude particulière. Il variera dans le temps avec la dynamique extraordinaire de [the solar storm]. Ce sera certainement un défi lors de l’un de ces grands événements.”
Les satellites hors de contrôle
Heureusement, de telles tempêtes solaires puissantes ne sont pas très courantes. Depuis le soi-disant Tempêtes d’Halloween en octobre 2003, la Terre a connu une période de météo spatiale assez douce. Pourtant, en 2012, notre planète était seulement neuf jours frappé par un CME qui aurait provoqué une tempête solaire du siècle.
Pourtant, la fréquence relativement faible de ces événements n’est pas un réconfort pour les experts en sécurité spatiale, qui craignent ce qui se passerait si nous perdions le contrôle des positions orbitales des satellites dans l’environnement spatial de plus en plus encombré d’aujourd’hui. Lorsque les tempêtes d’Halloween de 2003 ont frappé, a déclaré Berger, il n’y avait qu’environ 5 000 objets suivis en orbite terrestre basse, et malgré la perte de contrôle de la situation, aucune collision n’a été signalée. Mais le nombre d’objets dans cette région fragile de l’espace a quadruplé depuis 2003, tout comme le risque de crash orbital.
« Un opérateur de satellite typique passe maintenant peut-être 30 à 50 % de son temps à gérer les avertissements de collision », déclare Berger. “Les satellites en orbite terrestre basse reçoivent désormais environ un avertissement par jour. Environ un par semaine est suffisamment sérieux pour être analysé plus en détail, et environ toutes les quelques semaines, ils doivent manœuvrer pour réduire les risques de collision. ce n’était pas dans le passé.”
Avec l’énorme incertitude sur les positions des satellites et des débris à la suite d’une tempête solaire majeure, les opérateurs d’engins spatiaux peuvent simplement “lever la main”, croiser les doigts et attendre que le réseau de surveillance spatiale suive les objets un par un, dit-il Berger.
La plupart des satellites modernes sont équipés de : GPS récepteurs, permettant aux opérateurs de conserver une certaine connaissance des positions des satellites (bien que les tempêtes solaires puissent provoquer des pannes de GPS et des imprécisions importantes dans les mesures de position). Mais les débris n’ont pas de GPS et ne peuvent être localisés qu’avec un radar. Même avec des investissements accrus dans de nouveaux radars de poursuite et l’émergence d’acteurs commerciaux de la surveillance des débris ces dernières années, la restauration complète du catalogue beaucoup plus vaste d’aujourd’hui pourrait prendre des semaines, a déclaré Berger.
Syndrome de Kessler
Pendant ces semaines, les opérateurs d’engins spatiaux ne dormiront probablement pas bien, et il ne s’agit pas seulement du risque d’endommager un seul engin spatial. Depuis plusieurs années, la communauté de la sécurité spatiale tire la sonnette d’alarme sur la quantité croissante de débris en orbite terrestre basse. Ces débris, ainsi que la prolifération des satellites opérationnels au cours de la dernière décennie (en raison de l’avènement de méga-constellations comme celle de SpaceX lien stellaire), menace la pérennité des opérations orbitales.
Les experts estiment que les premiers stades de la soi-disant Syndrome de Kesslerune cascade imparable de collisions qui pourrait rendre l’environnement orbital si dangereux qu’il serait inutile est déjà en cours.
Quelques frappes malheureuses pendant une période de chaos à la suite d’une puissante tempête solaire pourraient facilement faire pencher la balance. Et alors? Scénario du pire, un scénario similaire à l’intrigue du film oscarisé en 2013 La gravité pourrait se dérouler alors que le monde regarde, impuissant.
“Sans améliorations significatives dans [space traffic management] et la technologie de prévision météorologique spatiale, il existe un risque réel que nous atteignions des niveaux exponentiellement croissants de collisions en cascade qui [low Earth orbit] domaine est inutilisable pendant des décennies, voire des siècles”, ont écrit Berger et ses collègues dans leur article de 2020, ajoutant qu’une telle situation “aurait des effets dévastateurs sur les prévisions météorologiques, le renseignement spatial et le commerce spatial”.
Sortir?
Une tempête solaire avec le pouvoir de provoquer tout ce qui arrivera à coup sûr. Un jour. Berger espère que si nous en évitons un au cours des cinq prochaines années, la communauté des prévisions météorologiques spatiales sera en mesure d’améliorer ses modèles de la haute atmosphère pour tenir compte des changements de traînée causés par les événements météorologiques spatiaux. De tels modèles, à leur tour, permettraient aux opérateurs d’engins spatiaux (et au réseau de surveillance spatiale) de suivre les choses dans l’espace avec un degré de fidélité suffisant, même au milieu des bouleversements géomagnétiques les plus puissants causés par les tempêtes solaires.
L’année dernière, la NOAA a introduit ce qu’elle appelle le Whole Atmosphere Model, qui étend le modèle de prévision météorologique régulier à des altitudes d’environ 370 miles (600 km). Jusqu’à présent, le manque de mesures à ces altitudes limite la précision et la fiabilité de la sortie du modèle, a admis Tzu-Wei Fang, scientifique en météorologie spatiale à la NOAA, à Space.com. dans une interview précédente.
Pendant ce temps, lorsque le soleil se réveille après une longue période de sommeil et produit plus taches solaires, éruptions solaires et les CME, les opérateurs d’engins spatiaux ressentent déjà le pincement. SpaceX a perdu 40 nouveaux satellites Starlink après s’être lancé dans ce qui a été décrit comme une tempête géomagnétique assez douce. L’Agence spatiale européenne a signalé plus tôt cette année que ses satellites Swarm, qui mesurent le champ magnétique terrestre à une altitude d’environ 270 milles (430 km), ont coulé dix fois plus vite depuis décembre 2021 que toutes les années précédentes depuis leur lancement en 2013.
SpaceX, après la perte de ses satellites, a accepté de fournir des données NOAA sur la traînée subie par leurs satellites afin d’affiner les modèles de prédiction. Une telle coopération entre les opérateurs de satellites et les agences pourrait être une voie utile à suivre, a déclaré Berger.
“L’abondance de satellites compatibles GPS, tels que Starlink, pourrait être un avantage dans ce sens”, a déclaré Berger, dont l’équipe travaille avec la NOAA pour développer les modèles. “Le GPS vous donne des données orbitales précises, que nous pouvons utiliser pour dériver la densité de la haute atmosphère. Ces points de données nous aideraient à réconcilier notre modèle avec les conditions réelles, tout comme le font les modèles météorologiques normaux. Étant donné que le modèle suit en permanence conditions du monde réel, j’espère que nous pourrons étendre les prédictions à six à 12 heures dans le futur avec un niveau de précision décent.”
imprévisible
Cependant, Murtagh prévient qu’une puissante tempête solaire pourrait survenir à tout moment et sans préavis. La tempête d’Halloween de 2003, qui a temporairement perdu des dizaines de satellites, est arrivée alors que… le cycle d’activité de 11 ans du soleil diminuait et se dirigeait vers un minimum.
“Le soleil était vraiment discret [prior to the storms]Murtagh a déclaré : “Nous n’avions aucune idée de ce qui se passerait une semaine plus tard.”
Bien que le soleil bombarde la Terre d’EMC à intervalles réguliers depuis la nuit des temps, ce n’est qu’assez récemment que l’humanité est devenue dépendante de technologies vulnérables à de telles éruptions.
Les deux tempêtes solaires les plus extrêmes de l’histoire connue se sont toutes deux produites avant le début de l’ère de l’exploration spatiale. La dite Événement Carrington en 1859, des aurores célèbres ont été déclenchées jusqu’aux Caraïbes, détruisant les réseaux télégraphiques à travers l’Europe et l’Amérique.
La soi-disant tempête ferroviaire de New York en mai 1921 a mis le feu à plusieurs nœuds télégraphiques dans le monde, dont un à la gare Grand Central Terminal de New York.
Les deux tempêtes étaient d’un ordre de grandeur plus puissant que la tempête d’Halloween de 2003.
“Si quelque chose comme la tempête de 1921 devait se produire aujourd’hui, cela pourrait avoir un impact très sérieux sur les opérations orbitales pendant des semaines, pas seulement des heures ou des jours”, a déclaré Berger. “Et parce que nous savons que nous allons être frappés par une grosse tempête à un moment donné, nous devons faire des recherches pour améliorer les modèles et nous assurer qu’ils peuvent mieux prédire les changements qui se produisent dans ces tempêtes géomagnétiques qu’ils ne le peuvent maintenant. “
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