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Thèse d’Anna Tenerani le vendredi 26 octobre à 14h

Soutenance à Palaiseau, amphi Becquerel.

Titre  : Etude théorique et observationnelle de la reconnexion magnétique rapide

Résumé : Dans cette thèse, on propose un nouveau modèle de couplage auto-cohérent entre des structures magnétiques cohérentes sur les échelles ioniques et des ondes dites de sifflement (whistlers, en anglais) à plus hautes fréquences, afin d’interpréter les données expérimentales recueillies par les satellites Cluster pendant un sous-orage magnétique dans la région nocturne de la magnétosphère terrestre. Le couplage fournit un mécanisme pour confiner et transporter les ondes whistlers par l’intermédiaire d’ une onde nonlinéaire qui se propage obliquement par rapport au champ magnétique. Cette étude s’appuie sur une analyse des données expérimentales, sur une modélisation théorique ainsi que sur des simulations numériques.
Pendant les sous-orages magnétiques, la magnétosphère est soumise à de fortes perturbations
magnétiques et électriques dans une vaste gamme de fréquences, qui vont des basses fréquences, inférieures ou de l’ordre de l’échelle temporelle typique ionique, aux hautes fréquences, supérieures ou de l’ordre de l’ échelle temporelle typique électronique. Afin de connaître les processus physiques qui déterminent la dynamique de la magnétosphère pendant les sous-orages, il est fondamental de comprendre si, et avec quel méchanisme, des couplages peuvent se produire entre des ondes qui se propagent sur des temps caractéristiques différents. Des structures magnétiques à basse fréquence ont déjá été obsérvées dans des régions comme la magnétogaine et le vent solaire, éventuellement associées à des ondes whistlers à plus haute fréquence. Dans cette thèse, on montre que des structures similaires sont obsérvées dans la couche de plasma à l’intérieur de la magnétosphère. On s’interroge ensuite sur la façon dont l’inhomogénéité de telles structures peut influencer la propagation des ondes à plus haute fréquence. Grâce à ses quatre satellites en configuration tetraédrique et à ses mésures à haute résolution temporelle, la mission Cluster nous offre une occasion unique de pouvoir analyser la structure spatiale des perturbations stationnaires (ou se propageant) et d’étudier la dynamique du plasma sur des échelles temporelles plus courtes, telles que celles des ondes whistlers.
Ainsi, je décrirai les émissions d’ondes whistlers détectées par les satellites Cluster à l’intérieur de structures magnétiques cohérentes situées dans un écoulement de plasma rapide pendant le sous-orage du 17 Août 2003. Au cours de cette période, les satellites Cluster sont situés dans la couche de plasma, séparés d’une distance de l’ordre des échelles spatiales typiques ioniques
(le rayon de giration ou la longueur d’inertie des ions). Les ondes whistlers sont corrélées avec des structures magnétiques characterisées par un minimum du module du champ magnétique et un maximum de densité du plasma. Ces dernières ont été modélisées comme des ondes planes nonlinéaires de type lent qui piègent et transportent les ondes whistlers. A partir d’une étude théorique et numérique en utilisant une approche bi-fluide, on peut alors reproduire les données observationnelles. Le rôle possible de telles structures couplées dans la physique des sous-orages est aussi discuté.
Ce nouveau mécanisme de piégeage, étudié ici en utilisant comme guide pour les whistlers une onde oblique de type magnétosonique, est d’intérêt plus général par rapport au contexte spécifique des observations présentées dans cette thèse. En effet, d’autres ondes nonlinéaires, comme par exemple les ondes d’ Alfvén obliques ou d’ Alfvén cinétiques dans les plasmas à beta fort (où beta est le rapport de la pression thermique du plasma sur la pression magnétique), pourraient aussi transporter les whistlers. Ce modèle de piégeage constitue aussi une explication alternative aux modèles existants qui considèrent une inhomogénéité stationnaire sous la forme d’un canal de densité. Enfin, l’étude décrite dans cette thèse concerne des problématiques fondamentales en physique des plasmas, comme la propagation d’ondes dans les milieux inhomogènes et l’interaction entre modes sur des échelles temporelles différentes.


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