Le calendrier spatial et astronomique pour août 2015 : voie lactée et fenêtres atmosphériques

Le calendrier spatial et astronomique du mois d’août 2015.
Infographie : Gédéon. Crédit image : NASA

L’image de fond du calendrier du mois d’août est une image prise par l’astronaute Reid Wiseman, membre de l’équipage de l’expédition 41 de la Station Spatiale Internationale (référence NASA : iss041e045469). Une très belle photographie de la voie lactée vue depuis l’orbite terrestre prise le 27 septembre 2014 à 23:17 UTC. L’ISS survole alors l’océan atlantique, au niveau du tropique du Cancer, en direction de la côte africaine et du Sahara. Reid Weiseman a utilisé un reflex Nikon D3S avec un objectif de 24 mm de focale. La sensibilité est de 12800 ISO. Les étoiles de la voie lactée offrent un spectacle extraordinaire mais il est intéressant de noter également que le sable du désert donne une dominante orange à la couleur de l’atmosphère.

Une autre belle image de la voie lactée a été publiée récemment par la NASA. Elle a été prise le 9 août2015, alors que la station spatiale survole les îles Salomon (4,2°S, 161,7°W) à 402 km d’altitude.

La voie lactée photographiée par un membre de l’expédition 44 de l’ISS.
Image ISS044-E-45215 prise le 9 août 2015 à 13:39 UTC. Crédit image NASA.

Drôle d’atmosphère : toute la transparence sur l’opacité

Une drôle de courbe sur le calendrier du mois d’août ? Voir les étoiles depuis la Terre ou voir la Terre depuis l’espace… Après les lois de Planck et de Wien, j’ai pensé que c’était une bonne occasion de nous intéresser à la manière dont la lumière et les signaux électromagnétiques traversaient l’atmosphère terrestre. Selon les longueurs d’onde, celle-ci est transparente (comme pour le spectre visible entre 0,4 µm et 0,8 µm) ou plus ou moins opaque. C’est un des critères de choix des bandes spectrales utilisées sur les instruments des satellites d’observation ou dans les télescopes ou radiotélescopes installés sur notre planète. Pour observer les astres dans d’autres longueurs d’onde, une seule solution : quitter la Terre et aller au-delà de l’atmosphère…

Je reviens à la fin de cet article sur ces fenêtres de transparence atmosphérique. Ce n'est pas vraiment intuitif mais cela mérite quelques tentatives d’explication…

Le choix des dates : deux premiers et une première

Revenons à notre calendrier et aux grandes étapes de la conquête spatiale…

Les trois « premières » que je retiens pour le mois d’août sont deux premiers satellites, le premier satellite de reconnaissance et le premier satellite géostationnaire et une vraie « première » : Claudie Haigneré, la première femme française à participer à un vol habité en août 1996.

Le 19 août 1960, Discoverer 14 est le premier satellite de reconnaissance de l’US Air Force, lancé par une fusée Thor depuis la base de Vandenberg. Il rentre dans l’atmosphère après 17 orbites et redescend sous parachute. Le satellite et ses précieux films sont récupérés (pêché avec une épuisette ?) par un avion C-119J « Boxcar » après deux essais infructueux. Le contenu de la pellicule ? Les premières images de l’Union Soviétique prises depuis l’espace. Au total, Discoverer 14 a pris plus d’image que les 24 avions-espions U2 entre 1956 et 1960. 38 satellites Discoverer seront lancés jusqu’en février 1962. En lançant véritablement le programme Corona, Discoverer 14 sonne le glas des avions-espions U2.

Récupération de la charge utile sous parachute du satellite espion Discoverer 14 par
un avion C-119J Flying Boxcar. Crédit image : US Air Force

Exactement quatre ans plus tard, le 19 août 1964, c’est lancement de Syncom 3 par une fusée Delta. 68 kilogrammes, 29 watts : rien à voir avec les gros satellites de communication modernes… Pourtant, Syncom 3 est le premier satellite géostationnaire. Positionné au-dessus du pacifique au niveau de la ligne de changement de date (longitude 180°), il a assuré la transmission TV en direct des jeux olympiques au Japon en 1964. A partir de 1965, il est exploité par le département de la défense (DoD) pendant la guerre du Vietnam.

Après Valentina Terechkova (URSS) et Sally Ride (USA), Claudie Haigneré, à 39 ans, décolle le 17 août 1996 à bord du vaisseau Soyouz TM-24. Elle est la première femme française à participer à un vol habité. C’est le début de la 5^ème mission franco-russe : Cassiopée. Destination : la station spatiale MIR où elle séjournera jusqu’au 2 septembre et réalisera des expériences médico-physiologiques (PHYSIOLAB et COGNILAB), techniques (ALICE II, CASTOR), biologiques (FERTILE) et pédagogiques (proposées notamment par l’association Planète Sciences, ex-ANSTJ).

Une anecdote : jusqu'à quelques jours avant le vol, ses compagnons de vol Valéri Korzoun et Alexandre Kaléri faisaient partie de l'équipage suppléant. Ils ont remplacé Guennadi Manakov et Pavel Vinogradov, suite à des problèmes cardiaques décelés chez le commandant de bord. En octobre 2001, intégrée depuis 1999 à l'Agence spatiale européenne dans le corps des spationautes européens, elle participera à une seconde mission de 10 jours à bord de l’ISS (qu’elle rejoint à bord de Soyuz-TM33). Elle réalise un programme d’expérience en observation de la Terre, étude de l'ionosphère, sciences de la vie ainsi et sciences de la matière.

Sur le site du CNES, une vidéo sur la mission Cassiopée avec Claudie Haigneré.
Vous verrez quelques têtes connues. Elles n’ont presque pas changé… Crédit images : CNES

Conquête spatiale : les autres dates anniversaires en août

Août 1740 : à l’Académie des Sciences, Georges-Louis Leclerc de Buffon (1707-1788) présente un mémoire sur l’amélioration des fusées volantes et le rôle d’une cavité dans le bloc de poudre. Est mentionné un test pendant lequel des « fusées à broches coniques se sont élevées à 800 et 900 pieds en cinq secondes ».
Août 1954 : nouvelle aventure de Tintin. Après « Objectif Lune », Hergé publie son 17^ème album : « On a marché sur la Lune ». La forme de la fusée lunaire est inspirée du V2.
7 août 1959 : lancement du satellite américain Explorer 6, alias S-2. De forme sphérique avec quatre panneaux solaires et d’une masse de 65 kg, c’est un satellite scientifique pour l’étude des radiations, du magnétisme terrestre et de la propagation des ondes radio dans l’atmosphère terrestre. Il embarquait également un système permettant de photographier la couverture nuageuse et a transmis les premières photographies de la Terre prise depuis l'orbite^[].
21 août 1959 : Little Joe 1 (LJ-1). Un problème électrique entraîne un allumage accidentel prématuré (35 minutes) et l’échec d’un essai de la fusée de sauvetage du vaisseau Mercury sur le site de Wallops Island.
6 août 1961 : deuxième vol d’un homme en orbite : à bord de Vostok 2, le soviétique Guerman Titov (1935-2000), la doublure de Gagarine pour le premier vol, effectue 17 fois le tour de la Terre. 24 heures autour de la Terre…
27 août 1962 : lancement de la sonde Mariner-2 par une fusée Atlas-Agena. Destination : Vénus. Après l’échec du lancement de Mariner-1, Mariner-2 survole Vénus le 14 décembre. A l’époque, elle établit le nouveau record de communication à longue distance.
21 août 1965 : à bord de Gemini 5, Gordon Cooper et Charles Conrad établissent un nouveau record de durée pour un vol spatial habité : à leur retour, le 29 août, ils ont effectué 120 orbites et séjourné 7 jours et près de 23 heures dans l’espace.
10 août 1966 : lancement de Lunar Orbiter 1, première sonde américaine à se mettre en orbite autour de la Lune.
25 août 1966 : mission AS-202 (alias Apollo 2). Une fusée Saturn 1-B teste le comportement du vaisseau Apollo autour de la Terre. Le moteur est allumé à quatre reprises et l’endurance du bouclier thermique pour la rentrée dans l’atmosphère est vérifiée.
5 août 1966 : la sonde américaine Mariner-7 passe à 3520km de de la planète Mars et transmet 126 images de la surface de la planète rouge.
16 août 1971 : lancement du satellite français Eole par une fusée Scout de la NASA (Wallops Island). Le satellite Eole collecte les informations météorologiques transmises par 500 ballons sondes dérivant à 12 000 mètres d'altitude dans l'hémisphère sud et les transmet, via des stations au sol, à un centre de traitement. Cette coopération franco-américaine a démontré l’importance des systèmes spatiaux de collecte de données. Quelques années plus tard, le CNES proposait à la National Oceanic and Atmospheric Administration et à la NASA de fabriquer le système opérationnel de localisation et collecte de données ARGOS et d’en équiper les satellites météorologiques américains en orbite polaire. TIROS-N, lancé en octobre 1978, fut le premier à embarquer cette charge utile.

Sur le site du CNES, une vidéo sur le programme météorologique Eole et les lâchers de ballons
depuis la station Neuquen (Argentine). Crédit image : CNES

20 août 1975 : lancement depuis le Kennedy Space Center de la sonde Viking-1 vers la planète Mars. Les américains aiment les symboles : l’arrivée sur Mars est initialement prévue le 4 juillet mais les observations depuis l’orbite montrent que le site choisi est trop accidenté. L’atterrisseur Viking-1 se pose finalement le 20 juillet 1976 sur le site Chryse Planitia.
18 août 1976 : alunissage de la sonde soviétique Luna 24, la dernière sonde du programme Luna. Etonnant : il a fallu attendre 37 ans avant qu’une autre ne se pose en douceur sur la Lune, avec l'alunissage de la mission chinoise Chang'e 3. C’était le 14 décembre 2013.
20 août 1977 : lancement de la sonde Voyager 2 par une fusée Titan Centaur. En juillet 1979, elle explore les lunes de Jupiter puis survole Saturne en juillet 1981. Elle survole ensuite Uranus en janvier 1986 puis Neptune en 1989. Voyager 2 franchit les limites de l'héliosphère (hélio-pause) en août 2007 à 84 unités astronomiques du Soleil et devrait définitivement quitter le Système solaire magnétique vers 2017.
27 août 1975 : lancement du satellite franco-allemand Symphonie-2 par une fusée américaine Thor-Delta. L’échec du 1^er lancement d’Europa 2 oblige les européens à accepter les conditions américaines : le satellite doit avoir une mission strictement expérimentale, excluant toute exploitation commerciale qui ferait du tort à Intelsat, y compris pour des liaisons nationales. Ces conditions ont convaincu l'Europe de lancer le programme Ariane. Sauf erreur, les deux satellites Symphonie sont les premiers satellites géostationnaires à avoir été mis sur l’orbite cimetière en fin de vie.
4 août 1984 : premier lancement d’une fusée Ariane 3. Lancement des satellites ECS-2 et Telecom-1A. A côté de la charge utile principale civile (bande C, Ku et Ka), Telecom-1A emporte également Syracuse (« Système de Radio Communications Utilisant un Satellite »), un système de communication militaire). Le moteur d'apogée est un moteur à poudre.
30 août 1984 : premier vol de la navette Discovery avec la mission STS-41D. Trois satellites (SBS-D, SYNCOM IV-2 ET TELSTAR) sont mis en orbite.
8 août 1989 : lancement de la sonde européenne d’astrométrie Hipparcos. Une défaillance du moteur d'apogée empêche d’atteindre l’orbite géostationnaire : Hipparcos reste sur une orbite de transfert très elliptique. Néanmoins, les objectifs scientifiques de la mission ont été remplis : les catalogues d’étoiles issus des mesures de parallaxe d’Hipparcos ont permis des progrès dans de nombreux domaines : âge de l'univers, formation des étoiles, exo-planètes, etc. En décembre 2013, l’ESA a lancé Gaia qui vise un catalogue plus précis (x 50) et plus large (un milliard d'étoiles). Question : est-ce la forme d’Hipparcos a inspiré les concepteurs des satellites Pleiades ?

D’Hipparcos à Gaia : les objectifs des deux missions comparés pendant une conférence
organisée par la 3AF pendant l’opération Ciel en Fête à la Cité de l’espace à Toulouse
en septembre 2013. Crédit image : Gédéon

10 août 1992 : lancement de la mission franco-américaine Topex-Poseidon par une fusée Ariane 42P. A 1366 km d’altitude sur une orbite inclinée à 66°, Topex-Poseidon amorce une longue filière de missions d’altimétrie et d’océanographie opérationnelle. Il a fonctionné près de 13 ans. La relève est assurée par Jason-1 le 7 décembre 2001, puis Jason-2 le 20 juin 2008. Jason-3 devrait bientôt prendre la suite.

Les phénomènes El Ninõ et a Niña caractérisés depuis l’espace entre 1997 et 2000 à partir de données
du satellite Topex-Poseidon. L’altimétrie spatiale a révolutionné notre connaissance de la
dynamique des océans – Crédit image : NASA / CNES

1^er août 1996 : lancement du satellite japonais ADEOS-1. A bord la charge utile POLDER-1 développée par le CNES.
28 août 2002 : une fusée Ariane (mission VA 155) met en orbite le satellite MSG-1, alias Meteosat 8, le premier exemplaire de la seconde génération de satellite météorologique européen (2040 kg, 600 W).
6 août 2012 : la mission MSL (Mars Science Laboratory) pénètre dans l’atmosphère de Mars et réussi un atterrissage en douceur. Le rover Curiosity commence sa mission d’exploration.
25 août 2012 : Voyager-1 quitte l’héliosphère. Question : la date choisie par la NASA pour cette annonce est-elle aussi précise ?
6 août 2014 : à 405 millions de kilomètres de la Terre, la sonde Rosetta, après 10 ans de voyage, rejoint la comète Tchurimov-Gerasimenko 67P et commence à parcourir ces « orbites triangulaires ». 3 mois plus tard, elle larguera l’atterrisseur Philae qui réussira un exploit : se poser sur le noyau d'une comète.
13 août 2015 : passage au plus près du soleil de la comète « Tchouri » : la sonde Rosetta collecte des données sur l’activité du noyau (fonte de glace, éjection de gaz et d’eau, etc.)

Clin d’œil pour le troisième anniversaire de l’arrivée de MSL / Curiosity sur Mars : une « little planet » réalisée par Andrew Bodrov à partir de 95 images prise le 5 août 2015 (sol 1065) par la caméra MAHLI
(Mars Hand Lens Imager). Curiosity se trouve alors dans la zone Marias Pass du Mont Sharp.
Crédit image : NASA / JPL-Caltec / MSSS / Andrew Bodrov

Compte-à-rebours : les lancements du mois de juillet 2015

Contrairement aux mois précédents, l’activité de lancement a nettement repris en juillet 2015, avec 7 lancements orbitaux et deux « largages » de cubesats à partir de la Station Spatiale Internationale : une majorité de missions d’observation de la Terre et de météorologie mais aussi trois satellites de navigation (un américain et deux chinois), deux satellites de télécommunication et, vers l’ISS, un cargo Progress et vol habité :

3 juillet 2015, 4:55 UTC (Baikonour, LC1) : une fusée Soyouz-U met en orbite le cargo Progress M-28M à destination de l’ISS.
10 juillet 2015, 16:28 UTC (Sriharikota) : une fusée indienne PSLV-XL met en orbite 4 satellites : quatre satellites d’observation (DMC3-1, DMC3-2, DMC3-3 et CBNT-1) et l’expérience DeOrbitSail.
Du 13 au 15 juillet 2015 : 12 nano-satellites d’observation de la société Planet Labs (Flock 1^e-1 à 1^e-12) sont « mis en orbite » (ils y étaient déjà un peu…) à partir de la Station Spatiale Internationale.
15 juillet 2015, 15:36 UTC (Cap Canaveral, SLC 41) : une fusée Atlas V401 met en orbite le satellite GPS SVN 72, le 70^ème de la constellation du système global de positionnement américain, sur une orbite à 20450 km d’altitude.
15 juillet 2015, 21:42 UTC (Kourou, ELA3) : la fusée Ariane 5 ECA met en orbite le satellite de télécommunication Star One C4 et le satellite météorologique européen MSG-4.

15 juillet 2015, 21h42 UTC : lancement du 4^ème satellite Meteosat Second Generation (MSG-4) par la fusée Ariane 5 ECA VA224. Crédit image : ESA / CNES / Arianespace -Optique Video du CSG, S. Martin

15 et 16 juillet 2015, 22:49 UTC : quatre nouveaux satellites, Flock 1^e-13 et Flock 1^e-14, Centennial-1 et Arkyd-3R sont mis en orbite depuis l’ISS.
22 juillet 2015, 20:12 UTC (Baikonour, LC1) : une fusée Soyouz-FG met en orbite basse le vaisseau TMA-17 M qui rejoint la station spatiale internationale (ISS). A bord, un équipage également très international : Oleg Kononenko (Russie), Kimiya Yui (Japon) et Kjell N. Lindgren (États-Unis).
24 juillet 2015, 20:07 UTC (Cap Canaveral, SLC 37B) : une fusée Delta 4M+ met en orbite le satellite de transfert géostationnaire WGS-7 (Wideband Global SATCOM) pour le compte de l’US Air Force.
25 juillet 2015, 12:29 UTC (Xichang) : une fusée Chang Zheng 3B (Longue Marche) met en orbite deux satellites du système chinois de navigation Beidou M1-S et Beidou M2-S. Ce lancement est le premier de la nouvelle version du lanceur Chang Zheng-3B/YZ-1.

Quatre images du lancement de deux satellites du système de positionnement Beidou par une
fusée Long March 3 / YZ-1. Crédit image : www.news.cn

Atmosphère ! Atmosphère ! Est-ce que j'ai une gueule d'atmosphère ?

Revenons un peu à la courbe du calendrier du mois d’août…

Opacité ? Transparence ? On parle aussi de transmittance T, la fraction du flux lumineux traversant un milieu, l’atmosphère dans notre cas. L’opacité est l’inverse (1 – T exprimé en pourcentage).

Ce sont les gaz et les particules contenus dans l’atmosphère qui dévient ou atténuent les rayonnements incidents, par trois mécanismes : la réflexion, la diffusion et l’absorption. L’effet dépend de l’épaisseur d’atmosphère traversée. La réflexion est causée par les nuages (particules et liquides) et les aérosols (solides et liquides)

Dispersez-vous !

La diffusion correspond à la déviation du rayonnement incident par les particules ou les grosses molécules de gaz présentes dans l'atmosphère. La diffusion dépend de la longueur d'onde, du type et de la densité de particules et de molécules, de la température et des conditions atmosphériques, de l'épaisseur et de l’altitude de la couche d’atmosphère que le rayonnement doit franchir.

Selon la taille respective des particules et des molécules par rapport à la longueur d’onde, on a affaire à trois types de diffusion :

la diffusion de Rayleigh, lorsque la taille des particules et molécules de gaz est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement. La diffusion de Rayleigh, prédominante dans les couches supérieures de l'atmosphère, disperse de façon beaucoup plus importante les courtes longueurs d'onde que les grandes longueurs d'onde. Cette diffusion explique pourquoi nous percevons un ciel bleu durant la journée. Au coucher et au lever du Soleil, la distance à traverser dans l'atmosphère est plus grande : la diffusion des courtes longueurs d'onde est encore plus importante et une plus grande proportion de grandes longueurs d'onde pénètre l'atmosphère : le ciel paraît rouge.
la diffusion de Mie : lorsque les particules (poussière, pollen, fumée, eau) sont presque aussi grandes que la longueur d'onde du rayonnement. Ce genre de diffusion affecte les plus grandes longueurs d'onde et se produit surtout dans les couches inférieures de l'atmosphère où les grosses particules sont plus abondantes, quand le ciel est nuageux ou l’atmosphère polluée. Le halo gris qu’on perçoit au-dessus des villes est une manifestation de la diffusion de Mie.
la diffusion non-sélective, lorsque les particules (gouttes d'eau, poussière de grand diamètre) sont beaucoup plus grosses que la longueur d'onde du rayonnement : toutes les longueurs d'onde sont dispersées. Par exemple, les gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère dispersent le bleu, le vert, le rouge et les autres longueurs d’onde de manière identique : le brouillard et les nuages nous paraissent blancs.

Très absorbé par cette lecture ? Vous allez devenir une lumière…

Comme son nom l’indique, l’absorption correspond à l’absorption de l'énergie de diverses longueurs d'onde par les principales molécules de l'atmosphère.

Un intervalle de longueur d’onde pour lequel un gaz a une forte capacité d’absorption s’appelle une bande d’absorption. Ces bandes correspondent à des modes de vibration des molécules.

Diffusion atmosphérique et bandes d’absorption des principales molécules entrant dans la composition
de l'atmosphère. La transmittance de l’atmosphère résulte de la combinaison de ces effets.

L’absorption globale de l’atmosphère est la résultante des absorptions de chacun de ses constituants, qu’il s’agisse de gaz à concentration constante (azote N₂ : 78,1%, oxygène O₂ : 21,8%) ou de gaz dont la concentration varie avec l’altitude et au cours du temps (vapeur d’eau H₂O, dioxyde de carbone CO₂, méthane CH₄, monoxyde de carbone CO, protoxyde d’azote N₂O, chlorofluorocarbones CFC ou ozone O₃₎ :

Les deux composants principaux de l’air, l'azote et l'oxygène, ne présentent aucune absorption dans tout le domaine infrarouge. L’oxygène absorbe également le rayonnement proche infrarouge dans une bande étroite autour de 0,75 μm.
L'ozone absorbe les rayons ultraviolets (longueur d’onde inférieure à 0,3 µm) et nous protège ainsi d’une partie du rayonnement solaire) ainsi que les rayonnements dans l’infrarouge thermique (9,5 μm).
Les bandes d’absorption les plus larges sont dues aux gaz à effet de serre (H₂0, CO_2,CH₄) qui absorbent le rayonnement dans les infrarouges, du proche infrarouge jusqu’aux infrarouges thermique et lointain, ainsi que les hyperfréquences de petites longueurs d'onde (entre 22 µm et 1 mm).
Au-delà de 1 mm, dans le domaine des hyperfréquences, le phénomène d’absorption est inexistant et l’atmosphère est totalement transparente au rayonnement.

Du soleil à l’œil

La portion visible du spectre (la nature est bien faite : c’est celle que l’œil humain perçoit) et, dans une moindre mesure, celle du proche infrarouge correspondent à une fenêtre de transparence et au niveau maximal du spectre de la lumière du soleil.

En résumé, l’atmosphère est presque complètement opaque dans l’ultraviolet, très transparente dans le domaine visible et à nouveau opaque dans une bonne partie de l’infrarouge sauf pour quelques fenêtres dans le proche infrarouge et dans la fenêtre allant de 8,5 à 12,5 μm.

Dans la partie hyperfréquences, il y a une grande fenêtre de transparence qui correspond aux longueurs d'onde de plus de 1 mm.

Les longueurs d’onde pour lesquelles le rayonnement électromagnétique est peu ou pas absorbé constituent donc les fenêtres de transmission atmosphériques. C’est à travers ces fenêtres que les instruments d’observation, sur notre planète ou en orbite autour d’elle, peuvent observer, au choix, la surface du globe terrestre ou les astres...

En savoir plus :

Sur le blog Un autre regard sur la Terre, les calendriers des mois précédents :
Sur l’absorption et la transmittance de l’atmosphère :
- Un cours de l’Université Paris 1 sur le rayonnement et l’atmosphère.
- Une présentation de Catherine Freydier sur le site de l’ENS Lyon.
- Un cours sur le site de l’Université de Brest.
- Une page Interactions rayonnement / matière sur le site d’Harold Clenet.
Sur le site "Nos premières années dans l'espace", les pages sur le projet Eole du CNES et les pages sur le programme Symphonie.
Sur le site Cosmopif, un entretien avec Claudie Haigneré, invitée de la smeaine