Depuis juillet 2022, un satellite miniature de la taille d’une boîte à chaussures est en orbite autour de la Terre et surveille la quantité d’énergie solaire atteignant l’atmosphère. Maintenant, les scientifiques finalisent leur analyse des cinq premiers mois de mesures recueillies en orbite.
Le soleil est de loin la plus grande source d’énergie de la Terre, éclipsant l’énergie générée par le noyau terrestre, et il joue un rôle majeur dans le climat mondial. La mesure précise et précise de la quantité d’énergie solaire absorbée par la Terre – l’irradiance solaire totale (TSI) – est cruciale pour notre compréhension du système climatique de la Terre.
Le CubeSat, appelé Compact Total Irradiance Monitor-Flight Demonstration, ou CTIM-FD, est en mission d’un an pour développer et tester de nouvelles technologies de mesure de TSI.
CTIM-FD a été conçu et construit par le Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de l’Université du Colorado à Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST).
Un élément clé de cette mission consiste à comparer directement les mesures du CTIM à celles de ses homologues plus grands afin de démontrer qu’il peut effectuer des mesures tout aussi précises et exactes.
« La mission CTIM joue un rôle clé dans l’avenir des mesures d’irradiance solaire. La plateforme CubeSat nous permet de passer de la première idée à la démonstration en orbite beaucoup plus rapidement que la technologie spatiale traditionnelle, nous permettant de démontrer rapidement sa viabilité ainsi que d’apprendre comment nous améliorerions la conception des instruments pour les missions futures », a déclaré David Harber, chercheur principal (PI) de la mission CTIM-FD et ingénieur des instruments au LASP.
Isoler exactement la quantité d’énergie provenant du soleil aide les climatologues à distinguer les différentes composantes naturelles et humaines du bilan énergétique de la Terre. Dans la dernière enquête décennale sur les sciences de la Terre, la TSI, qui est mesurée en watts par mètre carré, a été désignée comme l’une des mesures « les plus importantes » que les scientifiques de la Terre doivent effectuer.
Prolonger un record climatique crucial de 40 ans
Depuis 1978, les scientifiques ont utilisé une variété d’instruments spatiaux pour mesurer le TSI. CTIM est une version plus petite et plus légère des anciens moniteurs d’irradiance totale (TIM) construits par LASP qui ont volé dans diverses missions. Il s’agit notamment de : l’Expérience sur le rayonnement solaire et le climat (SORCE) qui a duré de 2003 à 2020 ; l’expérience de transfert d’étalonnage de l’irradiance solaire totale, qui a fonctionné de 2013 à 2019 ; et le capteur d’irradiance solaire totale et spectrale 1 (TSIS-1), qui se trouve sur la Station spatiale internationale depuis 2017.
Ces instruments et d’autres ont conservé un enregistrement continu de l’irradiance solaire totale pendant plus de 40 ans, fournissant aux climatologues un ensemble de données inestimable. Le LASP fournit cette mesure depuis 20 ans. Le maintien de cet enregistrement ininterrompu des données TSI est essentiel pour préparer les futures générations de scientifiques à comprendre et à atténuer les effets du changement climatique.
Plus petit, plus léger, moins cher
Mais ces instruments plus gros et plus lourds sont plus chers à construire et à lancer. CTIM a été rendu plus petit et plus léger grâce à un certain nombre d’innovations. Au premier rang étaient les nouveaux bolomètres en silicium développés conjointement avec le groupe NIST Boulder Sources and Detectors dirigé par John Lehman et fabriqués au NIST par Nathan Tomlin.
Les détecteurs au silicium absorbent la lumière optique à l’aide de nanotubes de carbone. Les nanotubes ont été cultivés verticalement, formant une surface très sombre qui absorbe la lumière du soleil et se réchauffe. Le détecteur possède également une thermistance faite d’un matériau dont la résistance dépend de sa température, ce qui fournit une mesure très précise de la chaleur rayonnante.
« Le cœur de l’instrument est le détecteur, et donc la réduction des détecteurs est l’étape clé dans la réduction de l’instrument », a déclaré Harber. « Les détecteurs traditionnels utilisent des cavités plus grandes pour absorber la lumière, mais les nanotubes de carbone nous permettent d’absorber autant qu’une cavité à surface plane. »
CTIM a été lancé sur une fusée Virgin Orbit Launcher One en covoiturage sur la mission STP-Sat 28A de l’US Space Force et a été financé par le programme InVEST du Earth Science Technology Office de la NASA. Les équipes des opérations de mission CubeSat et des systèmes de données de LASP fournissent le commandement, la liaison descendante, la capture de données et l’analyse de données pour les opérations CTIM-FD via des stations au sol à LASP à Boulder.
Les mesures CTIM en orbite seront présentées en janvier 2023 lors de la réunion annuelle de l’American Meteorological Society à Denver.