High-energy phenomena in thunderstorms : instrumentation, statistical inference, and risk assessment
Les orages sont de puissants accélérateurs naturels de particules capables de produire des phénomènes de rayonnement de haute énergie tels que les flashs gamma terrestres (TGFs), les lueurs gamma (gamma ray glows GRGs) et, plus récemment, les scintillations gamma (flickering gamma ray flashes FGFs)....
Enregistré dans:
| Auteur principal: | |
|---|---|
| Autres auteurs: | , , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Langue: | Anglais Français |
| Publié: |
2026.
|
| Sujets: | |
| Accès en ligne: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2026ORLE1002_va.pdf https://theses.hal.science/tel-05683254 https://theses.fr/2026ORLE1002/abes |
| Note: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Matthieu Kretzschmar (Président du jury) ; Juan Montaña Puig, Bagrat Mailyan, Thomas Farges, François Trompier, Yasuhide Hobara (Membre(s) du jury) ; Juan Montaña Puig, Bagrat Mailyan (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Phénomènes de haute énergie associés aux orages :, instrumentation, inférence statistique et évaluation du risque |
| Résumé: | Les orages sont de puissants accélérateurs naturels de particules capables de produire des phénomènes de rayonnement de haute énergie tels que les flashs gamma terrestres (TGFs), les lueurs gamma (gamma ray glows GRGs) et, plus récemment, les scintillations gamma (flickering gamma ray flashes FGFs). Ces phénomènes résultent de l accélération d électrons dans les champs électriques intenses au sein des nuages d orage et sont un sujet d étude actif en raison de leurs implications pour la physique de l atmosphère et du risque potentiel d exposition aux rayonnements pour l aviation.Cette thèse de doctorat fait progresser notre compréhension et la détection de ces événements atmosphériques de haute énergie grâce à une combinaison de campagnes d observation, de développement de méthodes statistiques et d évaluation des risques radiatifs. Une première partie est consacrée au spectromètre gamma XStorm, composé d un scintillateur BGO et d un scintillateur plastique, pour lequel nous avons quantifié la dépendance en température du temps de décroissance du BGO, proposé une nouvelle méthode d étalonnage utilisant le front Compton pour le détecteur plastique, et adapté son logiciel d acquisition pour de futures missions ballons telles que Stratéole-2. XStorm a été déployé avec succès lors des vols d essai OREO, fournissant des données en vol précieuses sur ses performances. Dans la seconde partie, nous avons développé une nouvelle méthode d inférence bayésienne capable de révéler des lueurs gamma de faible intensité autrement dominées par le bruit de fond. Appliquée aux données de trois stations au sol (Chofu au Japon, ainsi que La Hague et le Pic du Midi en France), cette méthode a permis d identifier plus de 14 lueurs gamma, dont plusieurs événements trop faibles pour être détectés par les techniques statistiques traditionnelles. Les résultats indiquent que ces événements sont beaucoup plus fréquents qu on ne le pensait et pourraient constituer une propriété systémique de l électrification des orages. Enfin, nous avons construit un modèle statistique reliant éclairs (à partir des observations OTD/LIS) et détections de TGF par Fermi-GBM afin de proposer une carte mondiale de la densité des TGF. Le modèle estime qu environ 520 000 TGFs suffisamment intenses pour être détectés par Fermi-GBM se produisent chaque année dans le monde, dont 87% concentrés dans les régions tropicales. En intégrant les TGFs faibles découverts récemment durant la campagne ALOFT, nous avons affiné l estimation du risque d exposition pour la flotte aérienne mondiale, montrant que la probabilité de recevoir une dose supérieure à 1 Sv est d environ une fois tous les 400 ans, tandis qu une exposition supérieure à 1 mSv pourrait survenir environ une fois tous les 16 ans. Ce travail relie instrumentation, observation et inférence statistique pour offrir une nouvelle perspective sur les phénomènes de haute énergie produits par les orages et permet de mieux cerner leurs contributions dans les phénomènes atmosphériques électriques et les expositions aux rayonnements ionisants dans l aviation. Thunderstorms are powerful natural particle accelerators capable of producing high-energy radiation phenomena such as Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs), Gamma-ray Glows (GRGs), and more recently identified Flickering Gamma-ray Flashes (FGFs). These phenomena result from the acceleration of electrons in strong electric fields within thunderclouds and remain a subject of active investigation due to their implications for atmospheric physics and potential radiation exposure to aviation. This PhD thesis advances the understanding and detection of these high-energy atmospheric events through a combination of observation campaigns, developement of statistical methods, and risk assessment. A first part focuses on the XStorm gamma-ray spectrometer, composed of a BGO and a plastic scintillator, for which we quantified the temperature dependence of the BGO decay time, proposed a new Compton-edge calibration method for the plastic detector, and adapted its acquisition software for future balloon missions such as Stratéole-2. XStorm was successfully deployed during the OREO balloon test flights, providing valuable in-flight performance data. In the second part, we developed a new Bayesian inference method capable of revealing weak gamma-ray glows otherwise hidden under background noise. Applied to data from three ground-based stations (Chofu in Japan, La Hague and Pic du Midi in France), this method identified more than 14 glows, including several events too faint to be detected with traditional statistical techniques. The results indicate that GRGs are much more frequent than previously thought and may be a common feature of thunderstorm electrification. Finally, we constructed a statistical model linking lightning occurrence (from OTD/LIS observations) and TGF detections by Fermi-GBM to produce a global proxy map of TGF density. The model estimates that approximately 520,000 TGFs all over the world detectable by Fermi-GBM occur per year, with 87 % concentrated in the tropics. Incorporating weak TGFs detected during the ALOFT campaign, we refined the estimated exposure risk for the global fleet, finding that the probability of receiving more than 1~Sv dose is about once every 400~years, while exposure to more than 1~mSv may occur about once every 16~years. Overall, this work bridges instrumentation, observation, and statistical inference to provide a new perspective on high-energy phenomena in thunderstorms and to constrain their implications for atmospheric electricity and aviation radiation safety. |
|---|---|
| Description: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Matthieu Kretzschmar (Président du jury) ; Juan Montaña Puig, Bagrat Mailyan, Thomas Farges, François Trompier, Yasuhide Hobara (Membre(s) du jury) ; Juan Montaña Puig, Bagrat Mailyan (Rapporteur(s)) |
| Format: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |