ou AE-C (Atmosphere Explorer-C) est un petit satellite scientifique placé en orbite en 1973. Développé par la NASA dans le cadre de son programme scientifique Explorer, il avait pour objectif de recueillir des données sur les processus d'ionisation de la thermosphère terrestre par le rayonnement ultraviolet du Soleil en analysant plus particulièrement les couches les plus basses de celle-ci. Il fait partie d'une série de trois missions aux caractéristiques et objectifs similaires, comprenant également les satellites AE-D/Explorer 54 (1975) et AE-E/Explorer 55 (1975) qui doivent poursuivre les mesures menées par les missions Explorer 17 (1963) et Explorer 32 (1965) et qui sont conçues également par le Centre de vol spatial Goddard . La charge utile est constituée 14 instruments scientifiques permettant de mesurer le rayonnement solaire ultraviolet, la température, la composition et la densité des ions positifs, des particules neutres et des électrons et de mesurer la lumière du ciel nocturne, le spectre énergétique des photoélectrons, des protons et des électrons dont l'énergie est inférieure à 25 keV.
Placé sur une orbite fortement elliptique destinée à étudier les processus à l'oeuvre dans les différentes strates de l'atmosphère, le satellite de 658 kilogrammes a modifié au cours de la première année à plusieurs reprises celle-ci à l'aide de sa propulsion en abaissant son périgée jusqu'à 129 km et en modifiant la latitude de celui-ci entre 10 et 68°. Le satellite a par la suite circularisé son orbite à une altitude comprise entre 250 et 390 kilomètres.
Contexte Troposphère
La structure de l'atmosphère terrestre est composée de strates de gaz de densité décroissante avec l'altitude. La thermosphère , dont l'altitude est comprise entre environ 95 et 500 kilomètres, est la couche située entre la mésosphère (comprise entre 50 et 95 km environ) et l'exosphère qui constitue la dernière couche de l'atmosphère terrestre et dont les caractéristiques se confondent pratiquement avec celles de l'espace interplanétaire (la différence est que les particules qui se trouvent dans l'exosphère sont soumises à la gravité de la Terre) : La caractéristique qui a donné son nom à la thermosphère est que celle-ci interagit avec le rayonnement ultraviolet solaire : celui-ci dissocie le dioxygène présent dans cette strate ce qui entraine une augmentation de température qui peut atteindre 2 000°CLes molécules d'oxygène sont dissociées en atomes d'oxygène par le rayonnement puis ces derniers se recombinent en molécules. Cette dernière réaction s'accompagne d'une libération d'énergie cinétique à raison 118 kilocalorie par molécule.. A contrario c'est dans la mésosphère que l'atmosphère terrestre atteint ses températures les plus basses (jusqu'à -143°C). Dans la thermosphère la densité des gaz est suffisamment importante pour que les mouvements des particules soient gouvernés par les collisions mutuelles alors que dans l 'exosphère le nombre de particules devient tellement faible que les collisions entre atomes/molécules disparaissent. Le comportement de ces derniers est alors dicté pratiquement uniquement par leur énergie cinétique aussi certaines de ces particules peuvent échapper à l'attraction de la planète (processus d'échappement atmosphérique) si leur vitesse est suffisante et leur direction de déplacement est adéquate. Dans la thermosphère le brassage de l'atmosphère est limité ce qui conduit à une composition de cette couche variant avec l'altitude (les particules les plus lourdes se situant aux altitudes les plus basses) alors que dans la mésosphère le brassage devient suffisant pour que la composition devienne homogène dans toute cette strate. Le rayonnement solaire (X et ultraviolet) génère également des ions en arrachant des électrons aux atomes. Ce processus est toutefois moins fréquent que les dissociations. La présence d'ion caractérise l'ionosphère une couche à cheval sur la thermosphère et la mésosphère. Les limites inférieure et supérieure de la thermosphère ainsi que les caractéristiques de la thermosphère sont fortement dépendantes du cycle diurne/nocturne et de l'activité solaire.
Premières investigations spatiales des couches supérieures de l'atmosphère
L'ère spatiale qui débute durant la décennie 1950 avec le lancement des premières fusées-sondes entraine un accroissement rapide des connaissances sur la structure et les caractéristiques des couches atmosphériques supérieures qui n'avaient pu, jusque là, qu'être étudiées à distance. En 1964, plusieurs satellites plus ou moins spécialisés, en particulier ceux développés dans le cadre du programme Explorer (missions scientifiques de la NASA), ont permis d'établir certaines caractéristiques de la thermosphère : La température augmente fortement entre la base de la thermosphère (turbopause à environ 110 kilomètres d'altitude) et 200 kilomètres. A partir de l'altitude de 250 km la température est pratiquement constante. Les composants de l'atmosphère ne sont plus homogènes au-dessus de 120 kilomètres. Au dessus de 200 kilomètres on observe une forte variation de température et de densité liée au cycle diurne. Les caractéristiques de la thermosphère varient fortement en fonction des saisons. La densité et la température dépendent de l'activité solaire et du cycle solaire. L'activité magnétique impacte également la densité et la température.
Sans en avoir de preuve directe, le rôle du rayonnement ultraviolet lointain émis par le Soleil dans les processus à l’œuvre dans la thermosphère est alors établi avec certitude. Mais sans instruments dédiés effectuant des mesures in situ il est difficile d'établir le taux d'ionisation et la proportion d'énergie produite par ce processus restant cantonnée au niveau de la thermosphère sous forme de chaleur par rapport à celle s'échappant dans le reste de l'atmosphère terrestre.
Une nouvelle méthode d'investigation : l'étude intégrée du système Soleil-Terre
Pour tenter de lever ces interrogations, plusieurs types d'instruments sont mis au point et utilisés à bord de satellites ou de fusées-sondes aux États-Unis et ailleurs. Mais une partie de la communauté scientifique prend conscience à cette époque que la compréhension des processus à l’œuvre nécessite d'abandonner le mode d'investigation en vigueur jusque là qui reposait sur des collectes indépendantes des différentes caractéristiques de l'atmosphère menées par des équipes scientifiques travaillant chacune dans leur coin. Pour progresser il était désormais nécessaire d'étudier simultanément l'ensemble des paramètres du système Terre-Soleil car celui-ci constituait un système intégré. Ce changement de paradigme imposait d'effectuer des mesures de multiples paramètres simultanément. Pour parvenir à modéliser ce système complexe, toutes les données devaient être mises à disposition des scientifiques concernés toutes disciplines confondues.
Historiquement l'étude de la thermosphère va constituer la première mise en œuvre de cette nouvelle méthode d'investigation. Ainsi pour déterminer le taux de production d'ions dans la thermosphère les premières missions spatiales ayant pour objet son étude, vont caractériser en même temps le flux solaire, la concentration de gaz neutres et la température de ces gaz ce qui nécessitait de disposer dans la même mission de trois instruments complexes capables d'effectuer des mesures d'une grande précision en s'appuyant sur une modélisation relativement précise des phénomènes en jeu.
Les premières missions d'aéronomie : Explorer 17 et 32
Dans la première moitié de la décennie 1960 la NASA développe les premiers satellites d'aéronomie, c'est-à-dire entièrement destinés à l'étude de l'atmosphère. Ce sont les missions /AE-A (lancée en 1963) et (1966) qui doivent fournir des mesures directes (in situ) des caractéristiques de la thermosphère et permettre ainsi de faire progresser les connaissances sur cette région de l'espace. Ces satellites emportent des instruments mesurent la densité, la composition, la pression et la température qui sont les principaux paramètres pilotant les processus physiques à l'œuvre. Les données recueillies doivent d'une part clarifier et définir les caractéristiques structurelles de l'atmosphère établies jusque-là à travers la mesure de la traînée subie par les satellites mis en orbite. D'autre part les mesures effectuées doivent permettre d'établir la variabilité de ces caractéristiques et leur dépendance vis-à-vis de l'activité solaire.
Développement de la mission AE-C
Le concept de satellite VOSS
Au printemps 1965 le centre de vol spatial Goddard confie à la société Spacecraft de Huntsville (Alabama) une étude destinée à déterminer les caractéristiques d'un système de propulsion permettant à un satellite de plonger à plusieurs reprises dans les couches basses de l'atmosphère (jusqu'à 130 kilomètres) puis de rehausser le périgée. L'objectif était de permettre l'étude de cette couche relativement inaccessible de l'atmosphère terrestre (à cette altitude l'atmosphère plus dense génère un échauffement du satellite et augmente la force de trainée qui peut déclencher une rentrée atmosphérique non souhaitée) et donc peu étudiée jusque là. Ces études ainsi que celles menées en interne par le centre Goddard aboutissent au concept de satellite baptisé VOSS (). Un groupe de travail réunissant des scientifiques de la NASA et des chercheurs universitaires définit les objectifs de ce nouveau satellite et l'instrumentation nécessaire : le résultat est un satellite de 454 kilogrammes emportant de 90 à 136 kg d'instruments et 180 kg d'ergols pour sa propulsion. L'instrumentation très complète et le choix d'une orbite très elliptique permettant une plongée dans la couche inférieure de la thermosphère doit permettre de mesurer pour la première fois les processus photochimiques et thermiques dans cette région de l'espace. Il était prévu dans une deuxième phase de la mission que l'orbite soit circularisée ce qui nécessite d'emporter suffisamment d'ergols.
Développement
S'appuyant sur l'expérience acquise avec les missions Explorer 17 et 32, il est prévu que le satellite soit stabilisé et que le ratio surface/masse soit réduit pour limiter la force de trainée lorsque le périgée est abaissé. La structure du satellite renforcée a la forme d'un cylindre droit. Un volant d'inertie permet de modifier ou annuler la vitesse de rotation du satellite qui est stabilisé par rotation. Le satellite comprend deux ponts séparés de 43 centimètres et perpendiculaires à l'axe de rotation. Les réservoirs d'ergols sont placés entre ces ponts alors que l'instrumentation est fixée de part et d'autre des deux ponts.
Objectifs de la mission
La mission AE-C, du Programme Explorer est la première d'une série de trois missions aux caractéristiques similaires conçues par le Centre spatial Goddard qui doivent approfondir les investigations menées par Explorer 17 et 32 dans le but mieux connaitre les caractéristiques de l'atmosphère terrestre à des fins scientifiques et pour des applications dans le domaine de la météorologie.
Caractéristiques techniques