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Prix de thèse de l’Ecole Polytechnique pour Nicolas Dorville, ancien doctorant du LPP

La magnétopause terrestre est la frontière entre le vent solaire (comprimé par une onde de choc) et la magnétosphère de la Terre. Ce type de frontières fines et quasiment étanches se forme naturellement chaque fois que deux plasmas magnétisés se trouvent projetés l’un vers l’autre. Il se produit, dans ce cas comme dans beaucoup d’autres situations astrophysiques, dans un milieu sans collisions. A ce titre, la magnétopause terrestre, qui est accessible à de nombreuses mesures satellitaires in-situ, est exemplaire d’un type très général d’interfaces. Des phénomènes clefs, comme le transport du plasma à travers la frontière, le chauffage et l’accélération des particules chargées ou la reconnexion magnétique, ont lieu à ces interfaces. L’étude et la compréhension détaillées de telles frontières est donc critique pour comprendre la physique fondamentale des plasmas.

La magnétopause sépare deux régions de plasmas de densités et de températures différentes. De plus, le champ magnétique de la magnétosphère et celui porté par le vent solaire n’ont ni la même direction ni la même intensité. On observe donc à la magnétopause une transition qui concerne à la fois la matière, avec ces deux plasmas qui s’interpénètrent, et les champs. Comment se combinent ces différents types de variations et quelle structure cela donne-t-il à la frontière ? Ce sont les questions qui ont été étudiées dans ce travail. Le cas le plus simple, où la frontière peut être considérée comme localement purement 1D et stationnaire constitue la base de cette étude, mais on a montré aussi dans quelle mesure une frontière agitée par des instabilités et la reconnexion magnétique peut s’écarter de ces modèles les plus simples.

La première partie de la thèse de Nicolas Dorville est une étude expérimentale de la magnétopause, en utilisant les données de la mission européenne Cluster. Elle montre comment on peut combiner données magnétiques et ioniques pour obtenir une caractérisation de la normale à la frontière et une coordonnée le long de cette normale. Ensuite Nicolas Dorville a montré que, lorsque le champ magnétique normal est non nul, la frontière forme une succession de sous-couches portant séparément les variations de type "rotationnel" et "compressionnel".

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Quand on trace le vecteur champ magnétique dans le plan tangentiel à la magnétopause, l’extrémité de ce vecteur décrit un "hodogramme" qui peut être de forme complexe. Cela indique que le satellite traverse une frontière constituée successivement des couches rotationnelles (arcs de cercle) et compressionnelles (variations radiales).

Dans la seconde partie de sa thèse, il a établi un modèle théorique de la structure d’équilibre 1-D stationnaire d’une couche de courant de type magnétopause. Cet équilibre est de type "cinétique", ce qui signifie qu’il doit être valable au niveau de la fonction de distribution et non seulement au niveau de ses premiers moments, densité, vitesse fluide et pression. Ceci est nécessaire dans un milieu sans collisions dès que les échelles caractéristiques du mouvement des particules, en particulier le rayon de Larmor, ne sont pas tout à fait négligeables vis-à-vis de l’épaisseur de la couche. Un tel équilibre est particulièrement nécessaire pour initialiser les simulations numériques qui permettent d’étudier le développement d’instabilités telles que l’instabilité de déchirement (qui implique un phénomène de reconnexion).

Références :

- Thèse : http://www.theses.fr/2015EPXX0015

- Dorville N., Belmont G., Rezeau L., Grappin R., Retinò A., Rotational/compressional nature of the magnetopause : Application of the BV technique on a magnetopause case study, Journal of Geophysical Research Space Physics 119 1898-1908 (2014)

- Dorville, N., G. Belmont, L. Rezeau, N. Aunai, and A. Retinò (2014), BV technique for investigating 1-D interfaces, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 1709–1720, doi:10.1002/2013JA018926.

- Dorville, N., Belmont, G., Aunai, N., Dargent, J., Rezeau, L., Asymmetric kinetic equilibria : Generalization of the BAS model for rotating magnetic profile and non-zero electric field, Physics of Plasmas, 22, 092904 (2015) ; doi : 10.1063/1.4930210

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