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Modélisation des environnements plasmas des petites planètes

 Chercheurs LPP :

Chanteur, G., Delcourt, D. Collaboration avec R. Modolo (LATMOS)

 Sélection de publications :

 L’environnement de Mercure

L’environnement ionisé de Mercure constitue un cas d’espèce puisque les échelles spatiales et temporelles de cette magnétosphère sont beaucoup plus petites que celles de la Terre et ses conditions aux limites, radicalement différentes (absence d’ionosphère, magnétopause à faible distance de la surface de la planète). Ceci soulève de nombreuses questions concernant par exemple la structure à grande échelle de la magnétosphère herméenne, le développement d’une couche de plasma et d’un courant annulaire, les sources et les puits des populations magnétosphériques, ou encore la dynamique de la queue de la magnétosphère et les interactions magnétosphère-exosphère-surface. Ces questions figurent parmi les nombreux objectifs scientifiques de la mission BEPI COLOMBO ("Pierre Angulaire" du programme scientifique de l’ESA), dont le lancement est aujourd’hui prévu en juillet 2016 pour une arrivée à Mercure en janvier 2024. Cette mission qui conduit à une coopération étroite entre l’ESA, responsable du Mercury Planetary Orbiter (MPO, satellite stabilisé 3 axes sur une orbite polaire de 400 km x 1600 km) et l’agence spatiale japonaise JAXA, responsable du Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO, satellite spinné sur une orbite polaire de 400 km x 12 000 km).

Après les premières observations de Mariner-10 en 1974-1975, les mesures de la sonde MESSENGER (NASA) ont fourni une moisson de données sur l’environnement ionisé de Mercure, e.g., confirmation du champ intrinsèque mesuré par Mariner-10, présence d’ions d’origine planétaire (O+, Na+, Ca+...) dans différentes régions de la magnétosphère, reconfigurations rapides de l’environnement et forçage important de la magnétosphère par le vent solaire. Différents travaux de modélisation sont menés au LPP pour étudier l’interaction du vent solaire avec cette magnétosphère, travaux qui mettent en oeuvre différents types de codes (hybrides 3D, particules-tests 3D). La surface de la planète et son exosphère jouent un rôle important dans la production de particules chargées via différents mécanismes (criblage par le vent solaire et par le rayonnement UV, bombardement météoritique, désorption thermique…). Les simulations à l’aide de particules-tests suggèrent par exemple que les ions d’origine planétaire peuvent apporter une contribution significative à l’environnement proche de Mercure, avec des niveaux de densité pouvant aller jusqu’à environ 1 ion/cm3 à 400 km d’altitude (péricentre de MMO) au périhélie. Après transport et accélération dans la magnétosphère, une partie de ces ions précipitent dans des régions localisées de la surface de la planète, conduisant à un enrichissement du regolith et à un processus de criblage renforcé. En raison des petites échelles spatiales de cette magnétosphère, les simulations à l’aide de particules-tests révèlent également des effets centrifuges importants lors de l’échappement des ions planétaires, effets qui conduisent à une accélération parallèle significative (quelques centaines d’eV pour les ions Na+) et à un transport du matériau d’origine planétaire dans la queue proche de la magnétosphère. Ces travaux de modélisation suggèrent par ailleurs un rôle significatif du champ électrique induit lors de reconfigurations rapides des lignes de champ (e.g., lors de dipolarisations magnétiques) dans l’accélération et le chauffage des ions. Un code hybride 3D initialement développé pour simuler les environnements plasma de Mars et de Titan a été adapté à Mercure. Ce code hybride a notamment été utilisé pour examiner les mesures de MESSENGER qui indiquent que le champ magnétique intrinsèque de la planète peut être assimilé à un dipôle décentré d’environ 480 km vers le Nord géographique le long de l’axe de rotation de la planète. Il ressort des résultats de simulations que ce modèle de dipôle excentré n’est peut-être qu’une représentation commode du développement multipolaire d’un champ planétaire encore mal décrit, en particulier dans l’hémisphère sud en raison de l’orbite de MESSENGER. A plus long terme, des modèles cinétiques seront utilisés pour étudier les interactions ondes-particules tout en prenant en compte les particularités des populations ioniques, telle la non-gyrotropie des distributions de vitesse attendue pour les ions planétaires.

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Image : Simulations à l’aide de particules-tests et d’un modèle MHD montrant les distributions d’ions Na+ obtenues à partir d’un même modèle d’exosphère et avec un champ magnétique interplanétaire orienté vers le sud (-5 nT), en considérant des conductivités différentes (panneaux du haut et panneaux du bas) de la surface de la planète (d’après Seki et al. [2013])

Ces différents travaux de simulations numériques seront utiles pour l’analyse des mesures de la sonde MMO qui est plus spécifiquement dédiée à l’étude de l’environnement ionisé de Mercure. En partenariat avec ISAS-JAXA, le LPP participe à la charge utile de MMO via deux instruments : (1) en tant que Co-PI, au spectromètre à temps de vol Mass Spectrum Analyzer (MSA) qui permettra de mesurer des fonctions de distribution 3D des ions sur de vastes gammes de masses (de 1 à 40 uma) et d’énergies (de quelques eV/q à 38 keV/q) ; (2) comme Co-PI de l’experience de mesure d’ondes PWI, à la mesure de la composante du champ magnétique parallèle à l’axe de spin dans la gamme 0,1 Hz à 0,64 MHz via un nouveau modèle de fluxmètre à bande large (DB-SM).


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