Direct Imaging and Gradient-Based Analysis of the 12 August 2026 Partial Solar Eclipse from a Freely Rotating High-Altitude Balloon

Résumé technique : Imagerie directe et analyse par gradient de l'éclipse solaire partielle du 12 août 2026 à partir d'un ballon de haute altitude à rotation libre

Énoncé du problème
Les ballons de haute altitude offrent une plateforme peu coûteuse pour les observations atmosphériques et astronomiques, y compris les éclipses solaires. Cependant, l'imagerie solaire directe depuis une charge utile de ballon est complexe en raison de la rotation rapide et incontrôlée de la nacelle. Les missions précédentes ont eu recours à des systèmes dédiés de pointage solaire ou de stabilisation active (par exemple, Peters [2] ; Bowman et al. [3]) pour maintenir un cap solaire. Cette étude examine si des informations quantitatives sur l'éclipse peuvent être récupérées à partir d'un système mécaniquement simple et passif, dépourvu de stabilisation active ou de pointage solaire, en utilisant la rotation et l'oscillation naturelles d'une charge utile suspendue pour balayer le ciel.

Méthodologie
L'expérience a été menée le 12 août 2026, avec un lancement depuis Oldenburg, Allemagne (53,126° N, 8,231° E). La charge utile se composait d'une boîte de sonde en polystyrène expansé de Stratoflights abritant deux caméras Insta360 ONE RS équipées d'objectifs grand-angle 4K Boost (équivalent 16 mm plein format, f/2,4).

• Filtrage : Les deux caméras étaient recouvertes d'un matériau filtrant provenant de lunettes d'observation d'éclipses BRESSER (conforme à la norme EN ISO 12312-2:2015).
• Acquisition : Le système fonctionnait en mode photographie par intervalle (ISO 800, 1/1000 s, intervalle de 10 s) sans pointage actif. Environ 1 300 images ont été capturées durant l'ascension, atteignant une altitude de pointe d'environ 35 km.
• Sélection d'images : Seuls 21 cadres contenant une image solaire visible ont été identifiés. Ces cadres s'étendaient de 19:19:15 à 20:38:21 CEST, couvrant à la fois les phases partielles croissantes et décroissantes, le cadre pré-maximum le plus proche étant à 20:05:07 CEST.
• Analyse : Pour extraire des données quantitatives, des découpes de 200 × 200 pixels centrées sur l'image solaire ont été analysées. Aucun renforcement, interpolation ou reconstruction synthétique n'a été appliqué. Une analyse de bordure solaire basée sur le gradient bidimensionnel a été employée :
  1. Les images ont été converties en niveaux de gris et lissées par un filtre gaussien.
  2. L'amplitude du gradient d'intensité $G(x,y)$ a été calculée pour localiser le bord solaire (région de la plus forte transition d'intensité).
  3. La zone solaire visible ($A_i$) a été déterminée en délimitant la plus grande région connectée au gradient maximal.
  4. L'obscuration dérivée de l'image ($O_i^{img}$) a été calculée en normalisant $A_i$ par rapport à la première image ($A_1$), à laquelle a été assignée une obscuration géométrique connue ($O_1^{geo} = 2,71\%$).
• Vérité terrain : L'obscuration géométrique a été calculée de manière topocentrée pour le lieu de lancement, produisant un maximum local de 86,32 % à 20:08:53 CEST.

Résultats clés
L'étude a réussi à récupérer la progression de l'éclipse à partir d'imageries non stabilisées :

• Corrélation : L'obscuration dérivée des images présente une forte corrélation avec l'obscuration géométrique calculée indépendamment (coefficient de Pearson $r = 0,959$).
• Métriques d'erreur : La différence absolue moyenne est de 9,5 points de pourcentage, et l'erreur quadratique moyenne (RMSE) est de 11,5 points de pourcentage.
• Accord spécifique : Plusieurs cadres présentent un accord étroit (ex. 19:29:14 : 15,49 % géométrique vs 16,48 % dérivé de l'image ; 20:05:07 : 83,95 % vs 80,03 %).
• Déviations systématiques : La méthode a eu tendance à sous-estimer l'obscuration, particulièrement dans la séquence tardive. Les auteurs attribuent ces déviations à des facteurs non corrigés incluant la fonction de diffusion du point (PSF) de la caméra, la réponse de l'objectif dépendante du champ (vignetage/aberrations), la géométrie du filtre, les différences entre les caméras et la diffusion atmosphérique à de basses élévations solaires.

Signification et affirmations
L'article positionne ce travail strictement comme une preuve de concept.

• Viabilité passive : Il démontre que la rotation passive de la charge utile, combinée à l'imagerie à large champ et à la photographie par intervalles fréquents, peut produire des observations directes d'éclipses à la fois visuellement utiles et semi-quantitatives sans la complexité d'un pointage solaire actif.
• Simplicité méthodologique : L'analyse de bordure par gradient fournit une méthode robuste pour estimer les zones changeantes du croissant solaire sans nécessiter de photométrie absolue ou de références solaires non occultées calibrées.
• Calibration future : Les auteurs déclarent explicitement que les erreurs systématiques actuelles empêchent l'utilisation de la méthode pour la métrologie calibrée du limbe solaire. Au lieu de cela, les résultats définissent une stratégie de calibration pour de futures expériences, qui devrait inclure la caractérisation au sol du vignetage de l'objectif et de la fonction de diffusion du point, la calibration croisée simultanée des caméras, ainsi que l'utilisation de données RAW et de capteurs d'attitude inertiels.
• Contexte : L'étude complète les autres campagnes de ballons de 2026 (par exemple, en Espagne) en fournissant des données depuis un lieu situé en dehors de la zone de totalité (86,3 % d'obscuration) en utilisant du matériel peu coûteux et commercialement disponible, accessible aux étudiants et au public.

En conclusion, les auteurs affirment que bien que les données actuelles comportent des incertitudes systématiques substantielles, l'approche valide avec succès l'extraction d'informations quantitatives sur l'éclipse à partir d'imageries de ballons mécaniquement simples et non stabilisées, jetant ainsi les bases d'une méthode de mesure à large champ passive et calibrée pour les missions futures.