L'expérience scientifique de FR1

Llewelyn Robert Owen STOREY,

Directeur de Recherches au CNRS, Conseiller scientifique au CNET.

Le satellite FR-l, conçu pour l'étude de l'ionosphère est basé sur le principe suivant : on observe la propagation dans le milieu à étudier, d'ondes de très basse fréquence (ondes TB F) rayonnées par deux émetteurs au sol et captées par le satellite.
On sait que les gaz qui composent l'atmosphère terrestre se trouvent partiellement ionisés à partir de 50 km d'altitude. Sous l'action des rayons X et ultraviolets émis par le Soleil, les atomes de gaz électriquement neutres perdent certains de leurs électrons périphériques et deviennent des ions chargés positivement. Mais l'ionosphère est loin d'être un milieu homogène puisque la densité de l'ionisation dépend :

- de la nature et de la densité des gaz atmosphériques qui varient avec l'altitude;
- de l'intensité des radiations solaires X et ultraviolets, donc de l'alternance jour-nuit et des cycles de onze ans de l'activité solaire;
- de l'influence des champs gravitationnels et magnétiques de la terre.

Ces facteurs déterminent à grande échelle la structure de l'ionosphère, où l'on a coutume de distinguer plusieurs couches horizontales ayant chacune leurs caractéristiques propres : couche D (entre 50 et 80 km d'altitude), à partir de la surface de la Terre) ; couche E (entre 80 et 140 km) ; couche F (entre 140 et 600 km) ; enfin la haute ionosphère. La région comprenant la couche F et la haute ionosphère s'appelle aussi « magnétosphère », car le champ magnétique terrestre y exerce une influence profonde.
Cette structure systématique à grande échelle se double d'irrégularités locales à des échelles plus petites et variables dans le temps. A l'intérieur de la magnétosphère, les irrégularités sont généralement étendues le long des lignes de forces magnétiques.
L'étude de l'ionosphère prit une grande importance au début du xxe siècle, lorsqu'on découvrit son rôle dans la propagation des ondes radio. Cette découverte permit le développement des communications à longue distance, par réflexions des ondes radio successivement sur les couches de l'ionosphère et sur le sol.
Or, la réflexion de ces ondes radio par l'ionosphère dépend de deux paramètres: la fréquence des ondes et la densité des électrons. En général, les ondes de très basse fréquence traversent toute l'ionosphère sans être réfléchies, tandis que les ondes de fréquences moyennes et basses sont réfléchies en permanence. Mais une exception à cette règle existe pour les ondes de très basse fréquence (en dessous de 30 kHz, ce qui correspond à des longueurs d'ondes supérieures à 10 km). Celles-ci ne sont pas totalement réfléchies par les basses couches ionosphériques, comme on pourrait s'y attendre. Arrivées à la base de la couche D, elles sont au contraire décomposées en deux ondes polarisées circulairement en sens inverse l'une de l'autre ; ces deux ondes sont partiellement absorbées, mais tandis que l'une est réfléchie vers le sol, l'autre pénètre dans l'ionosphère, se propage vers le haut à travers les couches D, E, F, et continue sa course dans la haute ionosphère. Cette onde crée, bien entendu, un champ électromagnétique de très basse fréquence tout le long de son parcours.