On a longtemps prédit qu’une éclipse solaire provoquerait une onde d’arc dans l’ionosphère terrestre. L'éclipse d'août 2017 - appelée la «grande éclipse américaine» parce qu'elle a traversé le continent américain - a donné aux scientifiques une chance de tester cette prédiction. Les scientifiques de l’Observatoire Haystack du MIT ont utilisé pour la première fois plus de 2 000 récepteurs GNSS (Global Navigation Satellite System) à travers le continent américain pour observer ce type d’onde de proue.
La Great American Eclipse a pris 90 minutes pour traverser les États-Unis, avec une durée totale de seulement quelques minutes à n'importe quel endroit. Alors que l'ombre de la Lune se déplaçait à travers les États-Unis à des vitesses supersoniques, elle a créé une chute de température rapide. Après avoir continué, la température a de nouveau augmenté. Ce chauffage et ce refroidissement rapides sont à l'origine de l'onde d'étrave ionosphérique.
L'onde d'arc elle-même est constituée de fluctuations du contenu électronique de l'ionosphère. Les récepteurs GNSS collectent des données très précises sur le TEC (Total Electron Content) de l'ionosphère. Cette animation montre l'onde de proue du contenu électronique se déplaçant à travers les États-Unis.
Les détails de cette vague d'étrave ont été publiés dans un article par Shun-Rong Zhang et ses collègues de l'Observatoire Haystack du MIT, et ses collègues de l'Université de Tromso en Norvège. Dans leur article, ils l'expliquent ainsi: «L'ombre de l'éclipse a un mouvement supersonique qui [génère] des ondes de proue atmosphériques, semblables à un bateau fluvial en mouvement rapide, avec des vagues commençant dans la basse atmosphère et se propageant dans l'ionosphère. Le passage de l'éclipse a généré des ondes d'arc ionosphériques claires dans les perturbations du contenu électronique émanant de la totalité principalement au centre / est des États-Unis. L’étude des caractéristiques des vagues révèle des interconnexions complexes entre le soleil, la lune et l’atmosphère et l’ionosphère neutres de la Terre. »
L'ionosphère s'étend d'environ 50 km à 1000 km d'altitude pendant la journée. Il gonfle lorsque le rayonnement du Soleil atteint la Terre et diminue la nuit. Sa taille fluctue toujours pendant la journée. C'est ce qu'on appelle l'ionosphère parce que c'est la région où résident les particules chargées créées par le rayonnement solaire. L'ionosphère est également l'endroit où les aurores se produisent. Mais plus important encore, c'est là que les ondes radio se propagent.
L'ionosphère joue un rôle important dans le monde moderne. Il permet aux ondes radio de voyager à l'horizon et affecte également les communications par satellite. Cette image montre certaines des façons complexes dont nos systèmes de communication interagissent avec l'ionosphère.
Il se passe beaucoup de choses dans l'ionosphère. Il existe différents types de vagues et de perturbations en plus de la vague d'étrave. Une meilleure compréhension de l'ionosphère est importante dans notre monde moderne, et l'éclipse d'août a donné aux scientifiques une chance non seulement d'observer la vague d'arc, mais aussi d'étudier l'ionosphère plus en détail.
Les données GNSS utilisées pour observer la vague d'étrave ont également été clés dans une autre étude. Celui-ci a également été publié dans la revue Geophysical Research Letters, et était dirigé par Anthea Coster de l'Observatoire Haystack. Les données du réseau GNSS ont été utilisées pour détecter le contenu électronique total (TEC) et le TEC différentiel. Ils ont ensuite analysé ces données pour quelques éléments lors du passage de l'éclipse: la réponse latitudinale et longitudinale du TEC, et la présence de toute perturbation ionosphérique itinérante (TID) au TEC.
Les prévisions ont montré une réduction de 35% du TEC, mais l'équipe a été surprise de constater une réduction pouvant atteindre 60%. Ils ont également été surpris de trouver des structures de TEC accrues sur les montagnes Rocheuses, bien que cela n'ait jamais été prévu. Ces structures sont probablement liées aux ondes atmosphériques créées dans la basse atmosphère par les montagnes Rocheuses pendant l'éclipse solaire, mais leur nature exacte doit être étudiée.
"... une expérience céleste active géante fournie par le soleil et la lune." - Phil Erickson, directeur adjoint à Haystack Observatory.
"Depuis les premiers jours des communications radio il y a plus de 100 ans, les éclipses sont connues pour avoir des effets importants et parfois imprévus sur la partie ionisée de l'atmosphère terrestre et les signaux qui la traversent", explique Phil Erickson, directeur adjoint de Haystack et responsable du groupe des sciences de l'atmosphère et de la géospatiale. «Ces nouveaux résultats d'études menées par Haystack sont un excellent exemple de ce qu'il reste à apprendre sur notre atmosphère et ses interactions complexes en observant l'un des sites les plus spectaculaires de la nature - une expérience céleste active géante fournie par le soleil et la lune. La puissance des méthodes d'observation modernes, y compris des capteurs radio-distants largement distribués aux États-Unis, a été essentielle pour révéler ces nouvelles fonctionnalités fascinantes. »
La grande éclipse américaine est venue et a disparu, mais les données détaillées recueillies au cours de cette «expérience céleste» de 90 minutes seront examinées par les scientifiques pendant un certain temps.
