L’étude du rayonnement cosmique a progressivement permis de comprendre sa nature mais également de découvrir son impact sur l’environnement terrestre, depuis l’atmosphère jusqu’à la lithosphère. Depuis les années 1950, de nombreuses thématiques s’intéressent peu à peu au rayonnement cosmique et profitent des connaissances acquises par les physiciens des particules et des astroparticules avec des objectifs et des enjeux très variés :
– en recherche fondamentale avec l’exploitation de l’impact du rayonnement cosmique comme un moyen de datation, ou bien l’étude de son rôle dans des phénomènes atmosphériques ;
– en recherche appliquée avec l’étude de son impact sur les activités humaines, sur la santé ou sur les technologies ;
– l’utilisation du rayonnement cosmique comme un outil, en exploitant notamment son énergie pour sonder des volumes de matière inaccessibles par d’autres méthodes d’imagerie.

1/ Impact du rayonnement cosmique sur l’environnement terrestre
2/ Impact sur les activités humaines
3/ Le rayonnement cosmique comme sonde

 

1/ Impact du rayonnement cosmique sur l’environnement terrestre

Les réactions nucléaires produites par le rayonnement cosmique lors du développement des gerbes atmosphériques ont des effets sur la matière, que ce soit dans l’atmosphère ou sur la lithosphère. Les particules de haute énergie, lorsqu’elles viennent percuter les constituants de l’atmosphère, fragmentent les noyaux atomiques d’azote et d’oxygène ; ce processus de spallation entraîne la création de neutrons et d’autres particules qui à leur tour vont aller percuter d’autres noyaux atomiques etc. Lors de ces réactions, de nouveaux éléments sont créés dans l’atmosphère et au sol (lithosphère), certains radioactifs, d’autres stables : ces éléments sont appelés « cosmonucléides » ou « nucléides cosmogéniques » pour marquer le fait que la production de ces noyaux possède une origine cosmique.

Le plus connu d’entre eux est le C14, produit dans l’atmosphère à partir de l’azote, mais de nombreux autres cosmonucléides sont utilisés en géomorphologie pour la datation des surfaces : He3, Be10, Ne21, Al26, Cl36. Au sol, la production de ces cosmonucléides diminue très rapidement avec la profondeur en raison de l’absorption de l’énergie des particules incidentes. Leur concentration dans un échantillon renseigne donc directement sur son exposition à la surface, à condition de connaître parfaitement leur taux de production en fonction de l’altitude considérée, et de la latitude (en raison du champ magnétique terrestre variable d’une latitude à l’autre). Depuis la fin des années 1950, les scientifiques exploitent la mesure des cosmonucléides en développant des techniques de mesures de plus en plus précises pour aborder un grand nombre de problématiques de géomorphologie : datation des glaciations (retraits des glaciers, dépôts des moraines), taux d’érosion, datation d’événements volcaniques récents, dépôts alluviaux, taux d’ablation de glace (Antarctique), datation de cratères météoritiques (Meteor Crater par exemple), datation d’inondations cataclysmiques, archéologie (datation du Sphinx).

Liste des taux de production des principaux cosmonucléides en fonction de la roche ou du minéral considéré. Crédits : Ceiling (1994).

Par ailleurs, le taux de production des cosmonucléides dépend directement du flux de rayons cosmiques galactiques. Or celui-ci est modulé notamment par le vent solaire ; ainsi lors de périodes de forte activité solaire, le vent solaire créé transporte un fort champ magnétique qui atténue le flux de rayons cosmiques galactiques. Donc plus l’activité solaire est importante, moins la production de cosmonucléides sur Terre est grande. La mesure des variations du taux de production de cosmonucléides au cours du temps donne ainsi accès à des problématiques astrophysiques : évolution de l’activité solaire au cours du temps, mais aussi détection d’événements violents capables de produire un flux important de rayons cosmiques (supernova).

Enfin, le rayonnement cosmique intéresse également les spécialistes de la physique atmosphériques, pour au moins deux problématiques : la formation des éclairs au sein des orages et la formation des nuages. En effet, lors du développement des gerbes atmosphériques, les électrons produits au sein de la gerbe émettent notamment un rayonnement radio. Or des observations récentes avec l’observatoire radio LOFAR montrent que ce rayonnement est perturbé lors d’orages ; l’objectif est donc d’utiliser le rayonnement cosmique pour sonder les éclairs et de tester l’hypothèse selon laquelle les rayons cosmiques pourraient être à leur origine. Par ailleurs, des études s’intéressent au lien entre le rayonnement cosmique et la formation des nuages. Les derniers résultats développés dans l’expérience CLOUD au CERN, montrent en effet que la production d’ions dans la gerbe atmosphérique favorisent la production d’aérosols dans l’atmosphère et donc la formation de gouttelettes d’eau initiant les nuages. Or le rôle joué par les nuages dans le climat constitue actuellement un enjeu de taille pour la compréhension du changement climatique.

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2/ Impact sur les activités humaines

Le rayonnement cosmique est un rayonnement dit ionisant. Les particules qui le composent, de par leur énergie, modifient les structures électroniques des éléments qu’elles traversent en leur arrachant des électrons. Selon l’énergie de la particule incidente, l’ionisation peut modifier les propriétés de la matière impactée et provoquer des dommages plus ou moins importants. Au niveau de la mer, l’intensité de ce rayonnement est en moyenne faible, mais dès que l’on s’élève en altitude puis dans l’espace, la double protection assurée par l’atmosphère et la magnétosphère disparaît et la matière est soumise directement au rayonnement ionisant.

Vue schématique de la structure engendrée par le champ magnétique terrestre : la magnétosphère. Cette structure agit sur la trajectoire des rayons cosmiques avant leur entrée dans l’atmosphère terrestre.

Dans les organismes vivants, les molécules auxquelles des électrons ont été arrachés par une particule ionisante forment des radicaux libres pouvant entraîner des changements de propriétés, comme des problèmes de réplication de l’ADN, ou de vieillissement prématuré de cellules et donc de cancers. Ce rayonnement n’est pas problématique au niveau de la mer car l’atmosphère en absorbe la plus grande partie. Les êtres humains et leurs ancêtres y sont en effet confrontés depuis des dizaines ou des centaines de millions d’années. Mais dès que l’on s’élève en altitude, et en particulier lors des vols long-courrier, le rayonnement devient beaucoup plus intense. Pour les personnes régulièrement exposées, par exemple les personnels navigants, il y a donc une augmentation des risques concernant certaines pathologies : cancers (leucémie, thyroïde), cataracte. Pour réduire les facteurs de risque, les temps de vol sont donc réglementés.

Doses de radioactivité dues au rayonnement cosmique en fonction de l’altitude. Crédits : IRSN

Dans l’espace, des études en cours cherchent à évaluer le risque pour des futurs voyages humains interplanétaires ; ces études ont mis en évidence les dommages neuronaux occasionnés par le rayonnement cosmique et la diminution induite des capacités cognitives. Les études se poursuivent pour mieux caractériser ce danger et chercher des solutions car il s’agit d’un enjeu important pour les projets de voyages spatiaux, en particulier vers Mars.

Pour les appareils électroniques, les particules ionisantes peuvent provoquer une modification de l’arrangement des charges codant l’information et ainsi provoquer des dysfonctionnements. L’électronique étant omniprésente dans le fonctionnement des activités humaines contemporaines, l’enjeu est important. Plusieurs incidents pouvant avoir comme origine le rayonnement cosmique ont été rapportés : dysfonctionnement à bord d’un avion australien en 2009, problèmes sur des voitures électriques. Des recherches sont menées actuellement en microélectronique pour quantifier et modéliser précisément l’impact des muons sur les composants électroniques de taille nanométriques.

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3/ Le rayonnement cosmique comme sonde

Les particules du rayonnement cosmique qui parviennent jusqu’au sol, en particulier les muons, possèdent des énergies importantes et interagissent peu avec la matière. Une grande partie d’entre eux ont donc la capacité de traverser de grands volumes de matière et d’être plus ou moins absorbés selon la densité de la matière traversée. C’est le principe de la tomographie par muons, ou muographie, imaginée et développée au début des années 1960 en particulier par Luis Alvarez. Son but était d’imager l’intérieur de la pyramide de Chephren afin d’y chercher l’existence d’une chambre royale supplémentaire.

Comme pour l’imagerie par rayons X, le principe de la tomographie par muons consiste à mesurer la variation d’un flux dans plusieurs directions afin de sonder un volume de matière sur la ligne de visée. Selon la nature de la matière à sonder, deux types de techniques de tomographie sont utilisés : l’atténuation et la diffusion. La tomographie par muons est mise en oeuvre dans des zones auxquelles il est impossible d’accéder à un espace, soit pour des raisons de préservation, soit par impossibilité physique.

La technique par atténuation mesure le flux de muons dans plusieurs directions et permet de détecter les variations de densité sur la ligne de visée. Elle est utilisée :
– en archéologie, pour sonder des monuments de grande taille dans lequels il est très difficile (voire impossible) de pénétrer sans détérioration : pyramides de Chephren et de Kheops, temples aztèques au Mexique ;
– en géophysique en particulier pour sonder les volcans avec l’objectif de prévoir des risques d’éruption ; dans ce cas, la tomographie par muons permet d’accéder aux zones proches de la chambre magmatique et mesurer des variations de densité et donc d’accéder à des modifications du milieu (concentration en eau, en gaz) précurseurs d’une éruption. Cette technique a déjà été utilisée sur de nombreux volcans en activité au Japon, en Italie (Etna, Stromboli, Vésuve) ou aux Antilles (la Soufrière en Guadeloupe, ici et ici), ou des volcans en sommeil (Puy de Dôme) ;
– en géologie pour sonder les milieux de densités différentes en particulier pour le repérage de nappes phréatiques ;
– des projets d’instrumentation géologique ont été proposés pour utiliser la tomographie par muons dans le cadre de projets d’exploration de planètes du système solaire et en particulier pour la géologie martienne.

Télescope à muons dédié à l’imagerie de la structure interne du volcan de la Soufrière (Guadeloupe) dans le cadre d’un projet mené par le CNRS. Crédits : CNRS Photothèque

Pour les milieux constitués d’éléments de grands numéros atomiques, les muons sont diffusés et leur direction de propagation est modifiée entre l’entrée et la sortie du milieu. Il faut alors effectuer une mesure en amont et une en aval pour caractériser cette diffusion. Cette technique a été par exemple utilisée pour imager l’intérieur des réacteurs nucléaires de Fukushima (Japon) endommagés suite au tremblement de terre et au tsunami en 2011, et contenant des fortes quantités de matériaux radioactifs (notamment l’Uranium) rendant le lieu complètement inaccessible à l’être humain.

D’autres produits du rayonnement cosmique sont également utilisés pour sonder la matière : le flux de neutrons est mesuré pour sonder précisément l’épaisseur de couverture neigeuse dans des lieux difficilement accessibles. Les nivomètres à rayonnement cosmique (NRC) sont calibrés dans les bonnes conditions de température, de pression et mesurent le flux de neutrons absorbés par la neige pour en déduire l’épaisseur précise de cette couverture. Cette information est cruciale pour EDF pour anticiper les volumes d’eau à stocker lors de la fonte des neiges.

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