Phénomènes de haute énergie dans les systèmes orageux et étude dosimétrique

  • Doctorat
  • Orléans
Nom de l'entreprise / du laboratoire: LPC2E, Université d'Orléans, France; IRSN, Fontenay-aux-Roses, France
Encadrant: Sebastien Celestin
Date de début: octobre 3, 2022
Durée: 3 ans

Si la réglementation, aussi bien au niveau européen que national, n’impose à ce jour que la prise en compte de l’exposition aux rayonnements d’origine cosmique pour le suivi dosimétrique des personnels navigants (PN), ces travailleurs peuvent être ponctuellement exposés à d’autres types de rayonnements ionisants comme ceux issus des éruptions solaires et des phénomènes de haute énergies associés aux nuages d’orages.

 

Ces phénomènes, tels que les flashs gamma terrestres (TGF) découverts en 1994 [1], sont beaucoup moins bien connus et nécessitent des développements, en particulier instrumentaux, pour évaluer leur impact réel sur l’exposition des PN.

 

Les TGF sont associés aux éclairs intra-nuages qui sont les éclairs les plus fréquents [2-4]. La propagation dans l’air d’électrons à des vitesses relativistes induit la production d’un rayonnement X de freinage pouvant atteindre une énergie de plusieurs dizaines de MeV, induisant lui-même une émission de neutrons par réactions photo-nucléaires. Ces émissions se produisent sous forme de flash d’une durée de 50 microsecondes à 1 milliseconde. Les récents programmes d’observations spatiales (satellites AGILE (ASI) et Fermi (NASA)) montrent que ces phénomènes sont en fait beaucoup plus fréquents que les premières observations ne le laissaient penser et en théorie les TGF non-observables depuis l’espace pourraient être encore plus fréquents [5]. Le faisceau d’électrons à l’origine du flash serait, d’après la littérature, susceptible de délivrer des doses supérieures à 100 mSv aux altitudes de vols [6-7].

 

Par ailleurs, d’autres phénomènes de haute énergie dans les nuages d’orage ont été observés, en particulier, les « Gamma ray Glows » [8]. Les glows sont observés à plus basse altitude jusqu’au niveau du sol et peuvent durer jusqu’à plusieurs dizaines de minutes. On considère aujourd’hui que ces évènements sont très fréquents, on estime que plus de ~10% des orages en produisent [8].

 

Les TGF et les Glows pourraient ainsi constituer potentiellement une source d’exposition pour les PN, en plus du rayonnement cosmique qui est actuellement pris en compte pour leur évaluation dosimétrique. Ce travail s’inscrit ainsi dans le cadre de l’amélioration des connaissances concernant l’exposition de ces travailleurs exposés, et plus généralement sur l’estimation du risque associé. Il peut constituer un point d’entrée à l’amélioration des outils de suivi dosimétriques comme SIEVERTPN et aux études épidémiologiques comme le projet SPACE mené actuellement par l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) en partenariat avec Air France.

 

Plusieurs projets visant à mieux comprendre les phénomènes de haute énergie dans les orages financés par l’agence spatiale française (CNES) sont actuellement en cours. En particulier, le projet OREO qui vise à mesurer les glows au cœur des orages avec des ballons sondes et le projet Stratelec associé aux campagnes de ballons surpressurisés Stratéole-2 qui vise à observer les phénomènes électriques dans les systèmes convectifs de la région intertropicale sur des durées de plusieurs mois.

 

La thèse proposée vise à poursuivre les développements instrumentaux (spectromètre gamma et détecteur de neutrons) en cours au laboratoire LPC2E en collaboration avec l’IRSN, à exploiter les résultats des campagnes de mesure prévues, et à améliorer les modèles de production des rayonnements ionisants dans l’atmosphère ainsi que l’analyse dosimétrique associée.

 

La thèse comportera deux volets : un volet théorique et numérique centré sur la modélisation des phénomènes de haute énergie dans les systèmes convectifs ainsi que l’analyse dosimétrique associée ; et un volet instrumental visant à la poursuite des développements instrumentaux déjà amorcés et l’analyse des données obtenues lors des campagnes prévues (2023-2024).

 

Références

 

1.         Fishman, G., et al. (1994), Discovery of intense gamma-ray flashes of atmospheric origin, Science, 264, 1313

2.         Cummer, S. A., F. Lyu, M. S. Briggs, G. Fitzpatrick, O. J. Roberts, and J. R. Dwyer (2015), Lightning leader altitude progression in terrestrial gamma-ray flashes, Geophys. Res. Lett., 42, 7792

3.         Splitt, M. E., S. M. Lazarus, D. Barnes, J. R. Dwyer, et al. (2010), Thunderstorm characteristics associated with RHESSI identified terrestrial gamma ray flashes, J. Geophys. Res., 115, A00E38

4.         Chronis, T., M. S. Briggs, G. Priftis, V. Connaughton, J. et al. (2016), Characteristics of thunderstorms that produce terrestrial gamma ray flashes, B.  Am.  Meteorol. Soc., 97, 639

5.         Celestin, S., W. Xu, and V. P. Pasko (2015), Variability in fluence and spectrum of high-energy photon bursts produced by lightning leaders, J. Geophys. Res., 120, D10712

6.         Dwyer, J. R., D. M. Smith, M. A. Uman, Z. Saleh, et al. (2010), Estimation of the fluence of high-energy electron bursts produced by thunderclouds and the resulting radiation doses received in aircraft, J. Geophys. Res., 115, D09206

7.         Pallu, M., Celestin, S., Trompier, F., Klerlein, M. (2021) Estimation of Radiation Doses Delivered by Terrestrial Gamma Ray Flashes Within Leader-Based Production Models, J. Geophys. Res., 126, D033907

8.         Kelley, N. A., Smith D.M., Dwyer J.R., Splitt M. et al. (2015) Relativistic electron avalanches as a thunderstorm discharge competing with lightning. Nature Communications, 6, 7845

Pour postuler, envoyez votre CV et votre lettre de motivation par e-mail à sebastien.celestin@cnrs-orleans.fr