Etude des doses reçues par le personnel navigant de l'aviation civile liées aux Flashs Gamma Terrestres et autres phénomènes électriques atmosphériques // Study of doses received by civil aviation flight crew related to Terrestrial Gamma-ray Flashes and o

Les flashs gamma terrestres (TGF), phénomènes découverts à partir des années 1990 grâce aux satellites d'astrophysique des hautes énergies, sont des évènements électriques produits dans des orages communs dans la moyenne atmosphère (~12 km). Ils sont associés aux éclairs intra-nuages qui sont les éclairs les plus fréquents. L'accélération d'électrons à des vitesses relativistes conduit à la production d'un rayonnement X de freinage dans les orages pouvant atteindre une énergie de plusieurs dizaines de MeV, induisant lui-même une émission de neutrons par réactions photo-nucléaires, du fait des énergies élevées. Ces émissions se produisent sous forme de flash d'une durée de 50 microsecondes à 1 milliseconde. Toutefois, l'origine et les mécanismes de production ne sont pas encore bien établis. Les nouvelles mesures obtenues à bord d'un avion ER-2 volant à 20 km d'altitude par le projet ALOFT (Université de Bergen, Norvège et NASA) publiées dans Nature en octobre 2024 montrent que ces phénomènes sont en fait beaucoup plus fréquents que les observations spatiales ne le laissaient penser, et sur lesquelles les études du risque dosimétrique étaient basées. Le faisceau d'électrons à l'origine du flash serait, d'après la littérature, susceptible de délivrer des doses approchant 1 Sv aux altitudes de vols.

Par ailleurs, d'autres phénomènes électriques découverts plus récemment, comme les lueurs gamma ou les scintillations gamma pourraient contribuer à l'exposition des personnels navigants de manière bien plus significative qu'estimée précédemment.

Ces phénomènes pourraient ainsi constituer une source d'exposition pour les personnels navigants, en plus du rayonnement cosmique qui est actuellement pris en compte pour leur évaluation dosimétrique. Même si la fréquence et la localisation de ces évènements extrêmes n'est pas encore bien connue, cette source d'exposition doit être évaluée. À ce jour, seules des simulations numériques ont été utilisées pour estimer leur contribution au niveau de vol des avions du fait de la difficulté pour obtenir des données expérimentales. Des travaux ont déjà été engagés par l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (maintenant Autorité de Sûreté Nucléaire et de Radioprotection (ASNR)) dans le cadre deux thèses, en collaboration avec le LPC2E et Air France. Il s'agit, dans cette nouvelle thèse, de poursuivre le travail engagé afin de mieux caractériser les phénomènes physiques mis en jeu, notamment par des mesures sous ballons stratosphériques (campagne CNES Stratéole-2, 2026), en ballon sonde dans les orages (premiers test prévus en 2025), à bord d'avions de ligne (collaboration Air France et Airbus) sur quelques appareils mais avec une installation pérenne et au niveau du sol en déployant un réseau de spectromètres gamma sur les sites les plus propices.
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Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs), phenomena discovered in the 1990s thanks to high-energy astrophysics satellites, are electrical events produced in common thunderstorms in the mid-atmosphere (~12 km). They are associated with intra-cloud lightning, which is the most frequent type of lightning. The acceleration of electrons to relativistic speeds leads to the production of bremsstrahlung X-rays in thunderstorms, which can reach energies of several tens of MeVs, in turn inducing neutron emission through photonuclear reactions due to the high energies involved. These emissions occur as flashes lasting from 50 microseconds to 1 millisecond. However, the origin and production mechanisms are not well established yet. New measurements obtained aboard an ER-2 aircraft flying at an altitude of 20 km by the ALOFT project (University of Bergen, Norway, and NASA), published in Nature in October 2024, show that these phenomena are actually much more frequent than previously thought based on space observations, which formed the basis for dosimetric risk studies. The electron beam causing the flash could, according to the literature, deliver doses approaching 1 Sv at flight altitudes.

Moreover, other recently discovered electrical phenomena, such as gamma glows or flickering gamma ray flashes could contribute to the exposure of flight personnel much more significantly than previously estimated.

These phenomena could constitute a source of exposure for flight crews, in addition to cosmic radiation, which is currently taken into account for their dosimetric evaluation. Even though the frequency and location of these extreme events are not yet well known, this source of exposure must be evaluated. To date, only numerical simulations have been used to estimate their contribution at aircraft flight levels due to the difficulty in obtaining experimental data. Work has already been initiated by the IRSN (now ASNR) in the framework of two PhDs, in collaboration with LPC2E and Air France. The aim of this new doctoral project is to continue the work to better characterize the physical phenomena involved, particularly through measurements under stratospheric balloons (CNES Stratéole-2 campaign, 2026), weather balloons in thunderstorms (first tests planned for 2025), onboard commercial aircraft (collaboration with Air France and Airbus) on a few aircraft but with a permanent installation, and on the ground by deploying a network of gamma spectrometers at the most suitable sites.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

Master Physique Fondamentale; Astrophysique; Physique des particules; dosimétrie ou connecté à ces domaines
MSc. Fundamental Physics; Astrophysics; Particle Physics; Dosimetry; or connected to these fields.