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THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANSPOUR OBTENIR LE GRADE DEDOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANSDiscipline : PhysiqueparFabien DARROUZETEtude de la magnétosphèreterrestre par l’analyse multipointdes données de la missionCLUSTER. Contributions à lacaractérisation des frontières etde la magnétosphère interneSoutenue le 7 Juin 2006MEMBRES DU JURY : M. Thier r y Dudok De Wit, Pr o f esseur Univer sit é d’O r léa nsPrésident :R a pp o r t eur s : M. Jea n Cla ude Cerisier, Pr o f esseur Univer sit é P. et M. Cur ie, Pa r is 6Rapporteurs :M. G eo r g e K . Parks, Pr o f esseur Emér it e Univer sit é de Ber keleyDirectrice de th èse : Mme Pier r et t e Décréau, Ma ît r e de Co nf ér ences Univer sit é d’O r léa nsDirectrice de thèse :Encadrant de thèse : M. Jo ha n De Keyser, Cha r g é de R ec her che IASB, Br uxellesEncadrant de thèse : Exa mina t eur s: M. Jo seph L . Lemaire, Pr o f esseur Emér it e Univer sit é de L o uva in- la - NeuveExaminateurs :M. Ia nnis Dandouras, Cha r g é de R ec her che CESR , To ulo use ETUDE DE LA MAGNÉTOSPHÈRE TERRESTREPAR L’ANALYSE MULTIPOINT DES DONNÉESDE LA MISSION CLUSTER. CONTRIBUTIONS ÀLA CARACTÉRISATION DES FRONTIÈRES ETDE LA MAGNÉTOSPHÈRE INTERNEStudy of the terrestrial magnetosphere by multipointdata analysis with the CLUSTER mission.Contributions to the characterization of boundarylayers and of the inner magnetosphereFabien DARROUZETFabien ...

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THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS

Discipline : Physique par Fabien D ARROUZET

Etudedela ’ magnétosphère terrestre par l analyse multipoint des données de la mission CLUSTER. Contributions à la caractérisation des frontières et de la magnétosphère interne

Soutenue le 7 Juin 2006

MEMBRES DU JURY : Président : M.   Thier   r   y   Dudok De Wit ,   Pr   o   f   ess   eu   r   Univer   sit   é   d’O   r   léa   ns Rapporteurs : M.   Jea   n   Cla   ude   Cerisier ,   Pr   o   f   esse   u     r   Univer   sit   é   P.   et   M.   Cur   ie,   Pa   r   is   6 M.   G   eo   r   g   e   K   .   Parks ,   Pr   o   f   esseur   Emér   it    e   Univer   sit   é   de   Ber   keley Directrice de thès   e : Mme   Pier   r   et   t   e   Décréau ,   Ma   ît     r     e          d     e            C       o       nf   ér   ences   Univer   sit   é   d’O   r   léa   ns Encadrant de thèse : M.   Jo   ha   n   De Keyser ,   Cha   r   g   é   de   R     e   cher   ch   e   IASB,   Br   uxelles Examinateurs : M.   Jo   seph   L   .   Lemaire ,   Pr   o   f   esseur   E   m     é   r   it    e   Univer   sit   é   de   L   o   uva   in-   la   -   Neuve M.   Ia   nnis   Dandouras ,   Cha   r   g   é     d   e     R     e   c   her   ch   e   CESR   ,   To   ulo   use

     

ETUDE DE LA MAGNÉTOSPHÈRE TERRESTRE PAR L'ANALYSE MULTIPOINT DES DONNÉES DE LA MISSION CLUSTER. CONTRIBUTIONS À LA CARACTÉRISATION DES FRONTIÈRES ET DE LA MAGNÉTOSPHÈRE INTERNE

Study of the terrestrial magnetosphere by multipoint data analysis with the CLUSTER mission. Contributions to the characterization of boundary layers and of the inner magnetosphere

Fabien D ARROUZET

ARROUZET

Fabien D Etude de la magnétosphère terrestre par l'analyse multipoi nt des données de la mission CLUSTER. Contributions à la caractérisation des frontières et de la magnétosphère interne xix + 248 p.

Impression : these.tex – 1/9/2006 – 20:13

Résumé

CLUSTER est la première mission spatiale permettant l'étud e à trois dimensions de la ma- gnétosphère terrestre. Son orbite polaire et sa conguration de quatre satellites en tétraèdre lui permettent d'effectuer des mesures in situ dans plusieu rs régions de la magnétosphère, no- tamment dans la plasmasphère. Cette thèse rassemble une série de travaux sur les structures de plasma rencontrées sur l'orbite de CLUSTER durant la péri ode 2001-2004. La quantité physique étudiée est essentiellement la densité électronique, mais aussi le champ magnétique continu. Dans une première partie, deux outils d'analyse mu ltipoints, le gradient spatial et la méthode des délais, sont décrits, testés et discutés sur des jeux de données synthétiques, puis sur des données réelles, pour diverses situations typiques. Dans le cadre de conditions favo- rables, ces analyses révèlent le mouvement, l'orientation de frontières, ainsi que les dimensions des structures rencontrées, impossibles à estimer par une mission composée d'un seul satellite. Une seconde partie s'intéresse plus globalement à la plasma sphère, notamment à la topologie et à la dynamique de ses structures de densité à petite et grande échelle. Cette étude s'appuie sur les analyses multipoints vues précédemment, mais elle utilise également des données d'autres instruments de CLUSTER, des images globales de la plasmasphère fournies par la mission IMAGE, ainsi que des résultats d'études statistiques et de s imulations numériques. Enn, la thèse décrit une analyse statistique menée sur un autre jeu de données: les densités de puissance spectrales des ondes électromagnétiques mesurées à basse altitude par le satellite Viking durant l'année 1986.

v

Abstract

CLUSTER is the rst space mission dedicated to the three-dimensional study of the terres- trial magnetosphere. Its polar orbit and four spacecraft tetrahedron formation allow it to make in situ measurements in various regions of the magnetosphere, in particular in the plasmas- phere. This PhD thesis brings together several studies on plasma structures encountered by the CLUSTER spacecraft along their orbit, during the time period 2001-2004. The physical quan- tity analysed here is mainly the electronic density, but also the DC magnetic eld. In a rst part of the thesis, two multipoint analysis tools, the spatial gradient and the time delay, are descri- bed, tested - using synthetic datasets then real data - and discussed for typical situations. When conditions are favourable, these analyses reveal the boundary motion and orientation, as well as the dimensions of the structures encountered, impossible to estimate with a single satellite mis- sion. Another part of the thesis deals more globally with the plasmasphere, focusing particularly on the topology and dynamics of small- and large-scale density structures. This study is based on the multipoint analyses previously introduced. It also presents and discusses datasets from other CLUSTER instruments, global images of the plasmasphere from the IMAGE mission, and results from statistical studies and numerical simulations. Finally, the thesis describes a sta- tistical study based on another dataset: the power spectral densities of electromagnetic waves measured at low altitude by the Viking spacecraft in 1986.

vii

Remerciements

Tout d'abord, je tiens à remercier mes parents, M ONIQUE et A NDRÉ , qui m'ont toujours soutenu pour que je puisse faire ce que je désirais, y compris durant les 15 mois de chômage qui ont suivi mon DEA... Et nalement, ils n'ont pas eu tort !!! Merci aussi à ma soeur E MMA - NUELLE et sa petite famille, A ZIZ , C AMILLE , N AHEL , ainsi qu'à mon frère C YRIL . Je remercie tout particulièrement P IERRETTE , qui a accepté d'être ma directrice de thèse, alors que ce n'était pas gagné, et qui m'a beaucoup soutenu et encouragé tout au long de ces années. Un grand merci également à J OHAN , mon encadrant de thèse, qui n'a jamais renoncé à m'expliquer et discuter encore et encore, malgré les difcultés rencontrées au quotidien... Merci à G EORGE P ARKS et J EAN C LAUDE C ERISIER , qui ont accepté d'être les rapporteurs de ma thèse, à I ANNIS D ANDOURAS , qui malgré l'impossibilité administrative d'être rappor teur a participé au jury, et à T HIERRY D UDOK D E W IT qui a dirigé la soutenance de cette thèse. Un grand merci scientique et humain à J OSEPH , qui m'a embauché à l'IASB et qui m'a soutenu et suivi dans mon travail depuis mes débuts à l'insti tut, et à M ICHEL , qui l'a remplacé en tant que responsable et qui a fait en sorte que je puisse rester à l'IASB. Merci aux équipes des instruments EFW, EDI, FGM, EUV, V4H, MPA, dont j'ai utilisé l es données dans cette thèse. Dans ce travail de recherche, il y a bien sur les conférences, mais aussi les prolongations de conférence, et je remercie donc les compagnons de vol, J ENNY , J EAN F RANÇOIS , S AN - DRINE , F ARIDA , C LAIRE , A RNAUD , T OBIA , B ENOIT , L UCA , C HRISTINA . Je n'oublie pas mes collègues de l'IASB, V IVIANE , H ERVÉ , M ARIUS , S IMON , Q UENTIN , mes voisins de bureau V LADIMIR , M ICHEL , P AUL , et la bande à C ORINNE !! Des remerciements un peu plus solennels pour les deux directeurs qui se sont succédés à l'IASB, qui m'a accueilli il y a maintenant 7 ans et demi, P AUL S IMON et N OËL P ARMENTIER . Merci à celles et ceux qui m'ont cités dans leurs remerciemen ts de thèse, J EAN C HARLES (bravo, tu étais le premier!!), T RUDE (merci de m'avoir permis de voir de magniques aurores en Norvège), F RÉDO (merci pour l'initiation à L A TEX), M ANU (bravo, tu as nis avant moi!!). Je n'oublie pas mes amis de longue date, de mes débuts à l'Univ ersité de Nantes, D AVID , P ATRICE , L IONEL et de mes premiers pas dans la ville de Nantes, S ERVANE , F RÉDOTTE , S OI - ZICK , F RANCK , R OMAIN , J ACK . Et maintenant, quelques remerciements divers et variés à des amis de Paris, Bruxelles ou ailleurs, H ANNA , S ÉBASTIEN , F RED , K ENNETH , E DDY , E RWAN . Et je remercie F ABRICE , pour son soutien durant les derniers jours d'écriture (dés olé, on n'a pas vraiment eu le temps de faire une petite partie d'échec), et durant les premiers jours de mon arrivée à Bruxelles (bravo, tu détiens le record de la personne qui m'a le plus rendu visite!!). Merci beaucoup à ma chère Z OÉ , qui m'a soutenu tout le long de ces derniers mois alors que j'étais assez souvent insupportable, Z OÉ que j'ai rencontrée il y a un peu plus d'1 an grâce à un ancien collègue de l'IASB (merci H ERVÉ !!), et merci notamment pour ces délicieux paniers repas que tu m'apportais au bureau le soir durant les dernier s jours de rédaction... Et je nirai par remercier toutes les personnes que j'ai justement oublié de remercier, et qui j'espère ne m'en voudront pas trop...

Sommaire

Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

I Contexte Général 1 La Magnétosphère Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 La Mission CLUSTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3 Autres Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4 Simulations Numériques de Formation de la Plasmapause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

II Outils d'Analyse 5 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Gradient Spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7 Méthode des Délais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8 Analyse Statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

III Plasmasphère 9 Contexte Général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 10 Etude Statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 11 Structure Globale de la Plasmasphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 12 Structure de Densité à Petite Echelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 13 Panaches Plasmasphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Conclusions Générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 A Coordonnées et Paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 B Densité de Courant Electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 C Projection dans le Plan Equatorial Magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 D Vecteurs Vitesses dans le Plan Equatorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 E Articles Publiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Table des Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Liste des Tableaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

ix