Interaction des nuages magnétiques éjectés par le Soleil avec l'environnement terrestre

par Lucile Turc

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique Fontaine.

Soutenue en 2014

à Palaiseau, Ecole polytechnique .


  • Résumé

    Les nuages magnétiques sont des structures émises par le Soleil lors d'éruptions violentes et qui se propagent ensuite dans le système solaire à des vitesses supersoniques. Ils se démarquent du vent solaire ambiant par un renforcement de l'intensité du champ magnétique et une rotation lente de sa direction. Ils sont à l'origine de fortes perturbations dans l'environnement magnétique terrestre qui peuvent avoir des conséquences importantes sur les activités humaines spatiales (satellites, liaisons GPS,. . . ) voire au sol (réseaux électriques,. . . ). Lorsque les nuages magnétiques arrivent au voisinage de la Terre, ils rencontrent tout d'abord le choc d'étrave. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'altération de la structure magnétique des nuages magnétiques à la traversée de l'onde de choc terrestre et lors de leur propagation en aval de celui-ci. En effet, toute modification significative aurait alors d'importantes implications pour la prédiction des perturbations induites dans l'environnement terrestre. Ce problème a été abordé sous trois angles différents et complémentaires : l'analyse comparative de données de satellites en orbite autour de la Terre, notamment à partir des observations de la mission Cluster de l’ESA, le développement d'un modèle décrivant de façon globale la traversée du choc et la propagation du nuage en aval de celui-ci, et enfin l'utilisation de simulations numériques qui reproduisent de façon plus réaliste certains éléments de la physique de cette interaction. Les résultats obtenus à l'aide de ces trois approches s'accordent pour montrer que la variation de la structure magnétique des nuages magnétiques au passage de l'onde de choc est étroitement liée à la configuration magnétique du nuage par rapport au choc ; on peut la quantifier par la valeur de ΘBn, angle entre la normale au choc et le champ magnétique du nuage en amont de l'onde de choc. Nous montrons qu'une configuration quasi-perpendiculaire (ΘBn∼90∘) au niveau du choc modifie peu la structure magnétique du nuage. Lorsque la configuration devient oblique, une rotation de la structure du nuage se produit dans la région située en aval du choc. La structure du nuage est complètement perturbée quand la configuration devient quasi-parallèle. Dans ce dernier cas, on peut observer une inversion du champ magnétique du nuage et le développement de turbulence en aval de l'onde de choc. La modélisation de la région aval permet de localiser des régions favorables à la reconnexion magnétique et donc au développement d'activité magnétique dans l'environnement terrestre. Les simulations numériques permettent en particulier de caractériser les régions turbulentes en aval et aussi en amont de l'onde de choc. Au final, du fait de l'altération de leur structure au passage du choc, certains nuages magnétiques peuvent avoir un impact sur l'environnement terrestre très différent de celui attendu à partir de leurs caractéristiques observées dans le vent solaire, en amont du choc.

  • Titre traduit

    Interaction of magnetic clouds with the Earth's environment


  • Résumé

    Magnetic clouds are huge structures released from the Sun through violent eruptions, which then propagate into the solar system at supersonic speeds. They are characterised in the solar wind by an enhanced and smoothly-rotating magnetic field. They cause large disturbances in the Earth's environment which sometimes have an impact on human activity in space (telecommunications, GPS, …) and on the ground (electrical networks,. . . ). When magnetic clouds arrive in the vicinity of Earth, they first encounter the bow shock. In this thesis, we focus on the alteration of the magnetic structure of the clouds at the bow shock's crossing and during their propagation in the downstream region. Any significant modification would indeed have important implications on the prediction of geomagnetic disturbances. Three different approaches complementing one another are employed to address this issue: we first analyse data from different spacecraft orbiting Earth, in particular from ESA's Cluster mission, then we develop a model describing as a whole the bow shock's crossing and the propagation of the magnetic cloud in the downstream region, and finally we use numerical simulations to study in more detail some aspects of the physics of this interaction. The results obtained with these three methods consistently show that the variation of the cloud's structure across the bow shock is strongly related to the magnetic configuration of the magnetic cloud relative to the shock. This can be quantified by the value of $$\Theta_{\mathrm{Bn}}$$, the angle between the normal to the shock's surface and the magnetic cloud's magnetic field in the solar wind. We show that a quasi-perpendicular configuration ($$\Theta_{\mathrm{Bn}} \sim 90^{\circ}$$) keeps the cloud's magnetic structure roughly unchanged. When the configuration becomes more oblique, a rotation of the magnetic cloud's structure is observed in some parts of the downstream region. In a quasi-parallel geometry, the magnetic cloud's structure is strongly altered. Its magnetic field direction can then reverse and a high level of turbulence is observed downstream of the shock. Using the model we developed, we estimate the location of the regions favourable to reconnection processes, which give rise to disturbances in the Earth's environment. The numerical simulations allow us to investigate the turbulent regions downstream and also upstream of the bow shock. Finally, we find that, owing to the modification of their magnetic structure across the bow shock, the impact of certain magnetic clouds on the Earth's environment can differ from that estimated from their characteristics in the solar wind.

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  • Détails : 1 vol. (260 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 217 réf.

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  • Bibliothèque : École polytechnique. Bibliothèque Centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Bibliothèque : École polytechnique. Bibliothèque Centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C1A 120/2014/TUR
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