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Le laboratoire

- Historique -


 

Le LATMOS est un laboratoire créé en 2009, qui est né de la fusion de 2 laboratoires ayant tous les deux, une longue histoire de plus d’un demi-siècle, et à l’origine de la recherche spatiale française. Le LATMOS fort de cet héritage, perpétue encore aujourd’hui cette épopée en étant un laboratoire de référence dans le domaine de l’observation des différentes couches de l’atmosphère terrestre, et des autres corps et planètes du système solaire, à partir d’une instrumentation de tout premier plan et notamment à partir d’instruments spatiaux qu’il conçoit et améliore en permanence.

Les débuts de l'exploration spatiale en France

A la sortie de la guerre, les PTT (Postes, Télégraphes et Téléphones), fondent le CNET (Centre National d’Étude des Télécommunications) qui en association avec le CNRS et l’IPG donne à André Lebeau (qui a notamment depuis dirigé Météo-France et le CNES), l’opportunité de fonder le GRI (Groupe de Recherche Ionosphérique) qui deviendra en 1974 le CRPE (Centre de Recherches en Physique de l'Environnement terrestre et planétaire) puis le CETP (Centre des Environnements Terrestre et Planétaire) avant de rejoindre pour partie le LATMOS. En effet c'est par réflexions successives sur l'ionosphère (au dessus de 150 km d’altitude) et sur le sol que les ondes de T.S.F. peuvent faire le tour de la Terre et permettre ainsi de communiquer sur de très longues distances. Mais l'intérêt de cette région dépasse rapidement le seul cadre de la technique des télécommunications et va être le début d’un vaste programme de recherche sur l’exploration de cette région inconnue où évoluent aujourd’hui les satellites autour de notre planète.

En parallèle, un élève d’Alfred Kastler, Jacques Blamont, recrute quelques jeunes chercheurs brillants dont Claude Cohen-Tannoudji, et fonde en 1956 le Service d’Aéronomie (laboratoire qui dans son ensemble rejoindra le LATMOS) pour se lancer dans l’étude de la photochimie de la haute atmosphère en mettant en œuvre les fusées Véronique à Hammaguir.

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Sous l'égide du Comité des Recherches Spatiales, durant la fin des années 50, la France se voit dotée par le gouvernement de nouveaux budgets. Ces prémices du programme spatial français auxquels les équipes du SA et du GRI ont contribués à fournir les premiers objectifs scientifiques, débouchent en 1961, sur la mise au point du premier lanceur fusée Diamant (3ième après ceux des Etats-Unis et la république soviétique), qui allait en 1965 réussir à mettre en orbite le premier satellite français Astérix.

L'année 1962 est marquée par un programme scientifique ambitieux :

  1. Etude d’Aéronomie (mésosphère)
  2. Recherche sur les télécommunications
  3. Recherche dur la biologie spatiale
  4. Etude sur la dynamique de l’ionosphère
  5. Etude de la structure fine d’ionisation dans la basse atmosphère

L'ère du satellite

Le SA et le GRI participent activement à presque tous ces programmes. Si les différents programmes français reposent sur des projets scientifiques, c’est le Comité des Recherches Spatiales puis le CNES, qui suscitent, dirigent et financent ces études. En effet contrairement à d’autres pays, la recherche spatiale en France est organisée autour du CNES mais sur un modèle proposé originellement par Jacques Blamont où les chercheurs des laboratoires français proposent des expériences au Comité des Programmes Scientifiques du CNES. Si elles sont retenues et finançables, ces expériences sont placées sous la responsabilité d’un chef de projet du CNES et d’un scientifique issu d’un laboratoire mixte université-CNRS qui peut construire la charge utile (cas pour l’exploration du système solaire) ou bien contribuer au cahier des charges a donner aux industriels ou/et prendre en charge la responsabilité des algorithmes de traitement (cas plutôt retenu pour l’observation de la Terre). Si tous les chercheurs peuvent proposer des idées, en pratique seule une dizaine de laboratoires français sont leaders d’instruments spatiaux. La démonstration de la maturité technologique passe par la réalisation de prototypes fonctionnant au sol, ou embarqués à bord d’avion ou de ballon. Souvent aujourd’hui les instruments sont intégrés à des missions qui sont réalisées en collaboration entre plusieurs laboratoires français ou avec d’autres agences spatiales.

En 1965, le second satellite FR-1 développé conjointement pas le CNET et le CNES avait comme objectif l’étude de la propagation des ondes de très basses fréquences dans l’ionosphère mesurant pour la première fois le champ magnétique terrestre à environ 750 km. Puis le CRPE assurera la responsabilité du projet de satellite franco-soviétique Roseau, le premier satellite à ordinateur embarqué, malheureusement abandonné en 1968.

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La structure et les variations du champ magnétique sont cruciales pour comprendre l’ionosphère. En 1977, dans le cadre d’une collaboration NASA-ESA, en 1977 le couple
de satellites ISEE A et B a été lancé pour explorer les interactions entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre.

La position géographique de l'Archipel des Kerguelen sur la ligne de force du champ magnétique, donne aux chercheurs également un terrain d'expérimentation particulier. Dans le prolongement des premiers lancés de ballon en 1962, l'environnement spatial de la terre est de nouveau sondé par des ballons et des fusées. Puis en 1966, la base Dumont D'Urville, en terre Adélie pratiquement au Pôle Magnétique Sud, offre aux scientifiques une position privilégiée pour les études de la magnétosphère et des relations soleil-terre. Les sondages fusées continuent et vont permettre d'étudier l'enveloppe de gaz raréfiés neutres et ionisés entourant le globe à partir d'une altitude de 100 km.

C'est à la demande du Groupe de Recherche Ionosphérique qu'est organisée la première campagne. L'étude porte sur l'ionosphère, particulièrement riche en particules chargées au voisinage du Pôle Magnétique, et les échanges et répartitions des particules.

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L'affirmation de l'expertise radar

L’étude de cette région va voir au milieu des années 1960, la mise au point d’un sondeur ionosphérique à diffusion incohérente, fonctionnant depuis le sol qui a débouché sur le projet européen de sondeur à diffusion incohérente EISCAT (1980) aujourd’hui en service en zone polaire et d’autres techniques comme la technique du radar météorique.

La technique radar va ensuite être déclinée pour de nombreuses applications notamment dans la gamme de 95 GHz à l'étude des propriétés dynamiques, microphysiques et radiatives des nuages faiblement précipitants troposphériques pour l’étude des nuages, des précipitations et il va être embarqué sur avion puis dans l’espace.

Le programme de fusée français concernera fortement les 2 laboratoires qui constituent aujourd’hui le LATMOS en étudiant la composition ionique, son couplage avec le champ magnétiques et la photochimie de la basse thermosphère. Plusieurs centaines de fusées furent donc ainsi utilisées à des fins scientifiques.

Ces fusées permettront également d’étudier pour la première fois le spectre solaire dans la région ultraviolette non visible depuis la surface. L’étude de l’émission intense solaire de Lyman alpha (1963) par le Service d’Aéronomie en fait une vraie spécialité française. Ces études se poursuivent avec le satellite OGO-5 (1969) conduisant à la découverte de l’héliopause dont la continuité est assurée encore aujourd’hui par l’instrument SWAN à bord de SOHO développé par le Service d’Aéronomie et qui fonctionne toujours depuis 20 ans. Le soleil allait continuer à être caractérisé par la suite avec Solspec à bord de la station internationale puis avec un microsatellite entièrement développé au Service d’Aéronomie Picard, permettant de mieux caractériser ses faibles variations et peut être mieux comprendre leurs impacts sur le climat.

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En 1967 l’utilisation des fusées françaises pour des investigations scientifiques s’arrête pour nos laboratoires en 1967, laissant la division lanceur se perfectionner dans une dynamique européenne pour faire naître la série des lanceurs Ariane utilisé aujourd’hui. En 1966 l’accord franco-soviétique de coopération spatiale a notamment permis, de poursuivre un grand programme de collaboration sur l’île de Heyss jusqu’en 1976, en utilisant les fusées sondes soviétiques pour diverses expériences comme par exemple les mesures de profils de densité et de température électroniques et de champs électriques. Ce dernier est un paramètre important et pourtant difficile à mesurer. Les particules et gouttelettes d’eau induisent par frottement des courants électriques dont on voit bien la réalité lors des décharges comme les éclairs, sprites et bluejets

L'ère des ballons

Sur la trace des pionniers Français des vols ballon et pour les besoins de la météorologie, en 1958, le tout nouveau Service d'aéronomie du CNRS prit l'initiative d'utiliser les ballons à des fins de recherche scientifique. Cette entreprise, conduite dans un premier temps sous la responsabilité du CNRS, fut ensuite poursuivie par le CNES. Au coté du CNES les scientifiques mettent au point et lance depuis Trappes des ballons de 3000m3 gonflés à l’hydrogène, puis à Kerguelen pour l’étude des rayons X auroraux simultanément en deux points magnétiques conjugués ; l’autre point étant l’université de Minneapolis. Puis ce fut Aire-sur-l’Adour emportant en 1965, 124 kg à presque 40km d’altitude. Puis ce fut les ballons sur-pressurisés (1967), d’ou découlèrent la technique des ballons isentropes en 1973, pour aboutir à la montgolfière Infra-Rouge qui composée de 2 matériaux pour ses 2 hémisphères respectivement supérieure et inférieure allait permettre en captant le rayonnement Infra-Rouge des vols de longues durées nécessaires à l’exploration de la stratosphère, région découverte 50 auparavant à Trappes par un compatriote Leon Tesserec de Bort. Cette technique allait s’avérer très utile pour la compréhension des mécanismes conduisant au trou d’ozone. Les ballons allaient également permettre d’étudier l'ionosphère aurorale en période d'orage magnétique dans le cadre du programme SAMBO (1974). Mais également se révéler un outil unique pour mesurer et mieux comprendre les fluctuations dues à la dynamique atmosphérique à différentes échelles. Le Service d’Aéronomie mettra aussi au point des ballons spécifiques composés d’une enveloppe torique et d’une enveloppe externe flottante capable de très bien suivre la masse d’air et donc les fluctuations de petites échelles comme la turbulence et les ondes de gravité.

L'ère du lidar

En 1965 grâce à l’apparition du laser, le Service d’Aéronomie en 1965 perfectionne ses sondages de la couche de sodium avec un lidar à l’Observatoire de Haute-Provence par résonnance, puis on identifia sur le même principe le Potassium, le Lithium, le Calcium puis le Fer. Encore une fois, on utilisera ces connaissances pour développer à partir des émissions nocturnes des mesures de vent de la basse thermosphère sur le plus gros satellite scientifique de la NASA ; UARS. Le lidar n’est pas abandonné mais ces possibilités s’étendent à la mesure du profil d’ozone, de température, du vent, des aérosols volcaniques puis par la suite aux aérosols, les nuages et à la vapeur d’eau. Après avoir joué un rôle déterminant sur le l’établissement d’un réseau international concernant le suivi de l’ozone (NDACC) fournissant aujourd’hui les plus longues séries de ce type (30 ans), cette technique n’échappe pas à sa spatialisation. D’abords en avion, puis dans l ‘espace avec les Russes (Alissa) et avec les américains (Calipso). Les mesures systématiques conduisent nos laboratoires à porter les projets de nouvelles infrastructures à L’Observatoire de Haute Provence puis à la Réunion sans oublier l’Antarctique d’ou le trou d’ozone n’en fini pas de se résorber.

L'exploration de l'univers

L’étude de l’ozone va également être marquée par une technique développée au Service d’Aéronomie puis exploitée au LATMOS par le biais de l’occultation stellaire qui permet à l’expérience GOMOS à bord du satellite de l’ESA d’ENVISAT de multiplier le nombre de données avec une très bonne résolution verticale. Cette technique est utilisée pour explorer les atmosphères de Venus et Mars avec nos partenaires de l’IKI et de l’IASB. L’exploitation des spectres pour l’étude de l’atmosphère s’étend au domaine de l’Infra Rouge plus propice pour la mesure des gaz à effet de serre et de nombreuses autres espèces comme l’a montré la mission IASI sur la série des satellites METOP.

L’accord de coopération spatiale franco-soviétique signée en 1966 a également permis aux laboratoires, qui ont donnés naissance au Latmos, de se lancer dans l’exploration des atmosphères planétaires. Des premiers instruments ont été construit et intégrés à des satellites soviétiques Prognoz et les sondes Venera puis Vega en direction de Venus puis se fut les missions Phobos et Mars 96 vers Mars. Le succès de ces missions ne fut pas toujours un succès mais l’expertise, acquise autour des spectromètres, a été ré-utilisée avec nos collègues américains de la NASA pour les missions Voyager, Pioneer-Venus et Galileo. Puis dans un cadre Européen avec SOHO, Giotto, Venus-Express et Mars express. Grace à ces données, les modèles numériques français de ces atmosphères planétaires ont commencé à être développés. Pour compléter l’étude
de la composition de ces atmosphères, avec des questions très importantes comme l’échappement atmosphériques et les conditions d’apparition de la vie, les chercheurs de nos laboratoires ont développés la technique de spectrométrie de masses tout d’abord sur la sonde Huygens puis sur SAM-GC sur Curiosity. Afin de guider, ces sondes et les « rovers », des mesures hyperfréquences ou de permitivité (cas de Rosetta) ont permis de mieux comprendre la composition et le feuilletage des premiers mètres du sous-sol. L’utilisation des mesures hyperfréquences a permis également au laboratoire de mieux comprendre l’impact de la rugosité des surfaces sur les mesures de télédétection jusqu’à la quantification de la hauteur des vagues dans le cadre de la mesure CFOSAT en cours de réalisation avec l’agence chinoise.

Références

Les ballons au service de la recherche : L'aérostation scientifique des origines à nos jours, sous la direction de A. Lebeau et J-P. Sanfourche, Editeur E-dite, Juin 2011

L’Ecole de l’Espace, sous la direction de M-L. Chanin octobre 2008 ; Editeur : CNRS; ISBN : 978-2-271-06776-0