Développement et comparaison de méthodes d’assimilation de données appliquées à la restitution de la dynamique des ceintures de radiation terrestres Maget, Vincent 2007-12-04 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Bourdarie, Sébastien Laboratoire :  Département Environnement Spatial -DESP (depuis 1997) Ecole doctorale :  Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace -SDU2E Classification : Astronomie, cartographie, géodésie

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Terre, Ceintures de radiation, Orage magnétique, Magnétosphère, Electron, Proton, Modèle, Mesures in-situ, Analyse de données, Assimilation de données, Filtre de Kalman, Méthode d'ensemble, EnKF Résumé : Les ceintures de radiation de la Terre ont été mises en évidence au début de l’ère spatiale en 1958 par J. Van Allen grâce aux données du satellite Explorer 3. Cet environnement peut être très hostile aussi bien pour le corps humain que pour l’électronique embarquée sur les satellites. Les modèles actuels de référence sont ceux de la NASA : AE8 pour les électrons et AP8 pour les protons. Ils ont été élaborés vers la fin des années 70 et le début des années 80 à l’aide de mesures éparses et d’une interpolation entre chacune d’elles. Parallèlement à cela, la modélisation physique des ceintures de radiation s’est accélérée avec l’essor de l’informatique et des mesures satellites in situ. L’ONERA / DESP dispose à la fois d’un modèle physique dynamique performant des ceintures de radiation et d’un large éventail de mesures satellites. L’objectif de ce travail de thèse a été de tirer parti de cette dualité que peu de laboratoires possèdent grâce à l’assimilation de données. Elle peut être considérée comme un processus d’association d’observations ponctuelles à une prédiction globale réalisée par un modèle. Deux méthodes ont été envisagées aussi bien dans le cas électrons que protons. La première a consisté à poursuivre les travaux d’assimilation directe entamés au département DESP afin de l’adapter à l’échelle du cycle solaire et ainsi poser des bases solides à la définition de nouveaux modèles de spécification de l’environnement spatial. La seconde est l’adaptation d’un filtre de Kalman d’Ensemble (EnKF) issu du domaine de l’océanographie aux ceintures de radiation. Technique d’assimilation évoluée, elle permet d’affiner la restitution et ouvre la voie à la prédiction et à une météorologie spatiale objective. Résumé (anglais) : The Earth radiation belts have been discovered at the beginning of the Space Era in 1958 by J. Van Allen using satellite Explorer 3 data. This space environment may have harmful effects on both human bodies and spacecraft electronics. The current reference models are the NASA AE-8 and AP-8 ones. They have been developed at the end of the 1970s and beginning of the 1980s using sparse and interpolated data. In parallel, physical representation of the Earth radiation belts gained maturity thanks to computing expansion and in situ data multiplication. ONERA – DESP has both a physical and dynamical model of the radiation belts and a large database of in situ measurements. The aim of this thesis was to combine these two complementary approaches that few laboratories hold using data assimilation. This process consists into associating point-like data with a global (spatial and temporal) extrapolation performed by a model. Two methods have been developed as well for the electron and proton cases. The first one was to pursue the developments of direct data reanalysis undertaken at the ONERA in order to fit the solar cycle timescale, and consequently to build sound basis to new standards of the Earth space environment specifications. The second one consisted into the adaptation of an ensemble Kalman filter (EnKF) from Oceanography to the radiation belts domain. This complex method allows improving considerably the results and paves the way to prediction and to a new and objective Space Weather. Langue : Français

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