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Reconstruction globale et 3D du champ magnétique autour de la magnétosphère terrestre

Depuis des décennies, des missions satellites en orbite autour de la Terre mesurent les propriétés du plasma et du champ électromagnétique in situ. Ces mesures nous permettent de mieux comprendre les processus plasmas clés dans la dynamique de notre magnétosphère et son interaction avec le vent solaire et le champ magnétique interplanétaire. Cependant, réalisées à la position du satellite le long de son orbite, elles sont intrinsèquement locales, et ne donnent pas directement accès à la structure globale de la magnétosphère.
Des travaux récemments publiés dans Journal of Geophysical Research, menés par Bayane Michotte de Welle et une équipe regroupant des chercheurs et ingénieurs du LPP, de l’IRAP et du LAB, ont permis d’étudier la structure globale et tri-dimensionnelle, du champ magnétique interplanétaire autour de notre magnétosphère, pour la première fois à partir de mesures in situ.

« C’est un peu comme ces avions qui mesurent les propriétés de l’air, température et vitesse, en traversant des ouragans. Ils ne peuvent, à partir de ces mesures locales, voir la structure globale de l’ouragan. Notre idée c’est comme combiner toutes les mesures de toutes les traversées d’ouragans par tous les avions, et espérer reconstruire la structure d’un ouragan typique » explique Bayane Michotte de Welle, actuellement en 3e année de thèse au LPP. La chercheuse et son équipe ont ainsi exploité 20 ans de mesures réalisées par les missions satellitaires Cluster, Double Star, THEMIS et Magnetospheric MultiScale (MMS) pour reconstruire une vue 3D et globale du côté jour de notre magnétosphère.

Représentation 3D globale du champ magnétique interplanétaire enroulé autour de la magnétosphère

A l’instar d’une voiture forçant l’air à s’écouler autour d’elle sur l’autoroute, la magnétosphère fait obstacle à l’écoulement du vent solaire, mais aussi au champ magnétique interplanétaire. Ainsi, les tubes de flux magnétiques doivent localement se courber au contact de la magnétosphère, avant de glisser autour d’elle, emportés par l’écoulement du plasma. Si ce phénomène est bien connu depuis les années 60 et les premières explorations spatiales, jamais la structure globale en résultant n’avait pu être observée du fait de la nature locale des mesures satellitaires, et seules les simulations numériques permettaient de l’étudier.

L’utilisation, relativement nouvelle dans la communauté, d’algorithmes d’apprentissage statistique, a été décisive pour cette étude. Ces algorithmes, déjà utilisés récemment au LPP [3], ont permis d’une part d’extraire automatiquement les mesures faites dans la magnétogaine de la masse de données acquises depuis 20 ans par toutes ces missions, et d’autre part de transformer ces données de leur forme original de séries temporelles, en une représentation spatiale 3D.

« Nous voyons comment l’enroulement du champ autour de la magnétosphère évolue lorsque le champ interplanétaire change d’orientation », ajoute Bayane Michotte de Welle. Une évolution qu’il est important de comprendre car elle détermine, en facilitant plus ou moins la reconnexion magnétique à la magnétopause, comment la magnétosphère se couple à l’environnement interplanétaire. « L’un des intérêts de ce travail est en effet qu’il pourrait expliquer les difficultés du modèle actuellement en vogue dans la communauté pour prédire la localisation de la reconnexion magnétique sur la magnétopause », poursuit la chercheuse.

Ces travaux, s’appuyant sur l’apprentissage statistique, ouvrent une voie nouvelle et prometteuse pour extraire de précieuses informations jusqu’à ce jour enfouies dans la masse de données accumulées depuis des années par les agences spatiales. "Nous travaillons actuellement sur la suite de cette étude afin de mieux contraindre la physique de la reconnexion magnétique à la magnétopause, et essayons de transformer nos résultats en outils pour la communauté" confie Bayane Michotte de Welle.

Contacts au LPP : Bayane Michotte de Welle, Nicolas Aunai, Alexis Jeandet et Roch Smets

[1] Global Three-Dimensional Draping of Magnetic Field Lines in Earth’s Magnetosheath From In-Situ Spacecraft Measurements, Bayane Michotte de Welle (LPP), Nicolas Aunai (CNRS, LPP), Gautier Nguyen (DGA), Vincent Génot (Université Paul Sabatier, IRAP), Benoit Lavraud (CNRS, LAB), Alexis Jeandet (CNRS, LPP) and Roch Smets (Sorbonne Université, LPP) Journal of Geophysical Research : Space Physics, 127, e2022JA030996, https://doi.org/10.1029/2022JA030996

[2] Kobel, E., and Flückiger, E. O. (1994), A model of the steady state magnetic field in the magnetosheath, J. Geophys. Res., 99( A12), 23617– 23622, doi:10.1029/94JA01778.

[3] Nguyen, G. ; Aunai, N. ; Michotte de Welle, B. ; Jeandet, A. ; Lavraud, B. ; Fontaine, D. Massive Multi-Mission Statistical Study and Analytical Modeling of the Earth’s Magnetopause : 1. A Gradient Boosting Based Automatic Detection of Near-Earth Regions Journal of Geophysical Research (Space Physics) DOI : 10.1029/2021JA029773

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