Voici une conséquence que l’on n’avait pas forcément vue venir. Les moteurs de la fusée Space Launch System (SLS) d’Artemis II ont laissé une cicatrice de plusieurs milliers de kilomètres dans le ciel américain. Et les chercheurs y voient un nouveau risque pour les systèmes de navigation.
Le 1er avril dernier, la fusée SLS de la NASA s’est élancée depuis le Kennedy Space Center en Floride avec la capsule Orion et quatre astronautes à son bord : Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch et le Canadien Jeremy Hansen.
Cinq jours plus tard, l’équipage a contourné la face cachée de la Lune, offrant à l’humanité des images époustouflantes et inédites. L’amerrissage du 10 avril a marqué la fin du premier vol habité vers la Lune depuis plus de cinquante ans. Et si l’agence spatiale américaine a déjà les yeux rivés sur Artemis III, des scientifiques de l’université Cheng Kung à Taïwan et du centre Goddard de la NASA se sont intéressés aux répercussions du vol de la surpuissante fusée dans l’atmosphère.
Trois perturbations en moins de deux jours
Leur étude s’intéresse particulièrement à l’ionosphère, une couche de l’atmosphère gorgée de particules chargées appelées électrons libres, qui commence à environ 50 kilomètres d’altitude. Pour la sonder, l’équipe a exploité les données de plus de 3 500 stations au sol réparties sur le continent américain pendant le vol, puis mesuré le temps que mettent les signaux des satellites de navigation à les atteindre.
Les chercheurs ont conclu que l’ionosphère a été secouée à trois reprises. D’abord lors du décollage, puis environ 1h48 plus tard, lorsque l’étage supérieur du SLS a rallumé son moteur pendant 18 minutes afin de hisser Orion sur une orbite plus haute. De quoi ouvrir une sorte de « trou » dans la couche, c’est-à-dire une zone où la densité d’électrons est bouleversée. Celle-ci s’étire d’est en ouest sur plus de 5 000 kilomètres au-dessus de l’Amérique du Nord, et se déplace à environ 8 kilomètres par seconde, soit la vitesse du vaisseau.
Puis, un peu plus d’un jour après le décollage, l’allumage du moteur d’Orion pour quitter l’orbite terrestre en a provoqué une troisième, de même forme mais plus faible. C’est une première : jamais une même mission n’avait perturbé trois fois la même région.
Quand le signal change de rythme
Ce phénomène tient à l’altitude à laquelle les allumeurs se sont allumés, à environ 185 kilomètres et donc, en pleine ionosphère. Leurs gaz d’échappement y ont été injectés directement, un peu comme le sillage d’un bateau. « Les lancements de fusées produisent ce genre d’effet, mais nous n’avions jamais vu ce type de manœuvre orbitale lors d’une mission interplanétaire », explique à Space.com Charles Lin, l’un des auteurs de l’étude.
Toutefois, il faut savoir que les satellites GPS évoluent à plus de 20 000 kilomètres d’altitude, bien au-dessus de l’ionosphère, et que leurs signaux doivent la traverser pour atteindre nos téléphones et nos voitures : la position se calcule à partir du temps qu’ils mettent à arriver. Quand la densité d’électrons change, ils arrivent plus tôt ou plus tard que prévu, et le calcul se fausse.
Les conséquences pourraient être concrètes. « Une erreur de positionnement de quelques mètres suffit à faire changer de voie une voiture autonome », estime Charles Lin, qui évoque aussi un impact possible sur les drones. Si ce phénomène n’est pas alarmant en soi, une tempête solaire pouvant brouiller le signal pendant des jours, les chercheurs estiment qu’il est crucial de mieux surveiller ce phénomène. « À l’avenir, avec de plus en plus de missions vers la Lune et Mars, ces effets de météo spatiale deviendront bien plus importants », prévient l’expert.
L’ionosphère est une couche de l’atmosphère (environ 50 à plus de 1 000 km d’altitude) où le rayonnement solaire ionise les gaz et produit des électrons libres. Les signaux GNSS (GPS, Galileo, etc.) qui vont des satellites jusqu’aux récepteurs au sol traversent cette zone, et leur vitesse de propagation dépend du contenu électronique le long du trajet. Quand la densité d’électrons varie, le signal subit un retard (ou un avance apparente) qui se traduit en erreur de distance, donc en erreur de position. C’est un des principaux facteurs d’erreur côté “atmosphère”, surtout pour les services de navigation grand public. Les systèmes de correction (SBAS, RTK) et les modèles ionosphériques existent précisément pour limiter cet impact, mais ils ne gomment pas toutes les perturbations rapides et localisées.
Un « trou » ionosphérique désigne une zone où la densité d’électrons est fortement modifiée sur une région étendue, ce qui perturbe la propagation radio. Lorsqu’un moteur-fusée s’allume à l’intérieur de l’ionosphère, ses gaz d’échappement peuvent déclencher des réactions chimiques et des recombinaisons qui raréfient localement les électrons, un peu comme une “trace” dans le plasma. À la différence d’une tempête solaire, qui agit de manière globale et peut durer des heures ou des jours, l’effet d’un allumage est plus localisé, lié à une trajectoire et à une fenêtre temporelle courte. Les deux phénomènes peuvent toutefois produire le même type de conséquence pour la navigation : un biais sur le temps de propagation des signaux. L’enjeu, côté GNSS, est surtout la prévisibilité et la capacité à détecter ces anomalies en temps quasi réel.
Les stations GNSS au sol enregistrent en continu les signaux de plusieurs satellites et peuvent estimer des variations de retard ionosphérique en exploitant notamment les mesures multi-fréquences. En comparant le temps de trajet apparent des signaux (et ses variations) entre différentes stations, on reconstruit des cartes de contenu électronique total (TEC) et on repère les zones anormales. Un événement comme un allumage en haute altitude laisse une signature spatio-temporelle : elle se déplace et s’étire selon la trajectoire, ce qui permet de la distinguer d’un bruit de fond. Plus le réseau de stations est dense, meilleure est la résolution pour détecter des structures fines et rapides. Ces données servent aussi à améliorer les modèles de correction utilisés par la navigation de précision et les services de surveillance de l’intégrité (aviation, applications critiques).
