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Sujet de thèse

Etude des couches frontières dans les plasmas : structure et stabilité de la magnétopause terrestre

Gérard Belmont et Alessandro retino

La majorité de la matière visible dans l’Univers est à l’état plasma : les galaxies, les milieux interstellaires et interplanétaires et l’environnement autour des planètes. Les plasmas sont aussi présents dans les laboratoires, par exemple dans les dispositifs pour la fusion nucléaire comme les tokamaks. Des phénomènes clefs comme le transport du plasma, le chauffage et l’accélération des particules chargées ont lieu aux couches frontières séparant différents plasmas magnétisés. L’étude et la compréhension détaillées de ces frontières est donc critique pour comprendre la physique fondamentale des plasmas.
La magnétopause est la frontière, a priori étanche, entre le plasma magnétisé du vent solaire et celui de la magnétosphère de la Terre. C’est une couche fine de courant, qui sépare deux champs magnétiques différents, mais aussi deux plasmas de densités et de températures différentes. D’importants processus de transport et de chauffage/accélération ont lieu à la magnétopause terrestre : la reconnexion magnétique et l’instabilité de Kelvin-Helmholtz. L’étude expérimentale de la magnétopause est possible depuis des décennies avec les données des satellites qui la traversent. Mais lorsqu’elle est traversée par un seul satellite, la magnétopause est difficilement analysable car, même localement, elle n’est jamais parfaitement plane ni stationnaire. Des questions importantes sont don : comment la transition s’opère-t-elle, si les deux plasmas s’interpénètrent et sur quelle épaisseur. L’équilibre de la magnétopause est en fait largement inconnu, d’autant plus qu’il n’en existe aucun modèle cinétique, même plan et stationnaire. L’utilisation de quatre satellites proches (mission Cluster lancée en 2000 par l’Agence Spatiale Européenne) permet aujourd’hui de mieux démêler, dans les données, les variations spatiales des variations temporelles lors des traversées de magnétopause, mais l’analyse n’en reste pas moins toujours très délicate.

Au moment du début de la thèse, un stage de M2 aura permis, en utilisant les données ESA/Cluster, de
débroussailler ce problème et de tester une méthode pour caractériser la structure de la couche frontière.
En se basant sur les données magnétiques, un paramètre de profondeur pertinent aura été trouvé, pour localiser le satellite par rapport à la couche, au moins dans les cas de géométries les plus simples. La thèse devra permettre de développer complètement cette méthode, de l’étendre à d’autres données satellites (NASA/Themis) et de l’utiliser systématiquement pour 1) établir un profil typique de magnétopause (via une "epoch analysis") pour tous les paramètres physiques, y compris la fonction de distribution et les paramètres non triviaux tels que les composantes non diagonales du tenseur de pression et 2) l’étendre à des géométries moins simples, incluant en particulier des possibilités de reconnexion magnétique.

Une partie de la thèse sera consacrée à étudier les conséquences théoriques de ces résultats (avec des allers-retours théorie/ expérience). L’équilibre cinétique de la couche frontière, en particulier, pourra être comparé aux toutes premières solutions théoriques trouvées à l’occasion de la thèse de Nicolas Aunai (Février 2011). Son implémentation dans des codes de simulation numérique hybrides permettra d’étudier de façon plus pertinente que jusqu’à maintenant la stabilité de cet équilibre. On étudiera la façon dont le développement des instabilités linéaires telles que l’instabilité dite "de déchirement" ("tearing") en dépend, et comment la couche réagit à différents types de forçages vis-à-vis, en particulier, du problème de la reconnexion, qui appartient aux sujets les plus "chauds" de la physique des plasmas, aussi bien dans le domaine de la physique spatiale que dans celui de la fusion magnétique.


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