Kelvin-Helmholtz instability at the magnetopause : theory and observations

par Claudia Rossi

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Francesco Califano et de Alessandro Retino.

Soutenue le 29-04-2015

à Paris 6 en cotutelle avec l'Università degli studi (Pise, Italie) , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec University of Pisa [Pisa] (laboratoire) .

Le jury était composé de Francesco Pegoraro, Claire Foullon, Gaetano Zimbardo, Martin Volwerk, Matteo Faganello, Arnaud Zavlasky.

  • Titre traduit

    Instabilité de Kelvin-Hemholtz à la magnétopause : théorie et observations


  • Résumé

    L'interaction entre le vent solaire (VS) et la magnétosphère (MSP) terrestre se fait par l'intermédiaire de la magnétopause (MP). Le VS éjecté du Soleil, voyage transportant avec lui le champ magnétique interplanétaire (CMI). Ce dernier interagit avec le champ géomagnétique provoquant le phénomène de reconnexion magnétique (RM). La RM permet l'entrée d'une grande quantité de particules du VS dans la MSP. Si le CMI est dirigé vers le nord, la RM peut avoir lieu à haute latitude, mais n'est pas assez efficace pour justifier la quantité de plasma typique du VS, observée par les satellites à l'intérieur de la MSP. En outre, dans les cas où le CMI est dirigé vers le nord, la formation d'une couche de mélange est observée à basse latitude. Les tourbillons de Kelvin-Hemholtz (KH) fournissent un mécanisme efficace pour la formation d'une couche de mélange à la MP. Les simulations numériques montrent que l'évolution temporelle de l'instabilité de KH dépend fortement des profils initiales à grande échelle. La comparaison des données spatiales et des simulations numériques est donc d'une importance fondamentale dans ce contexte. Les principaux résultats obtenus au cours de ce travail sont la caractérisation de la turbulence à l'intérieur des tourbillons de KH, ainsi que des événements de RM à petite échelle; la sélection d'un événement où nous avons une combinaison des données des satellites avant et après KHI se développe; l'observation d'un décalage entre les profils de densité et de vitesse et constat que ce décalage initial entraîne une évolution différente de la simulations numériques qui est en accord avec les observations satellites.


  • Résumé

    Solar Wind (SW) and the Earth's magnetosphere interaction is mediated by the magnetopause. The SW carries with it the Interplanetary Magnetic Field (IMF) which interacts with northwards geomagnetic field lines causing magnetic reconnection (MR) events that make SW particles to be tranferred into the Earth's magnetosphere. If the IMF is directed northward, MR takes place at high latitude, but it is not efficient enough to justify the amount of SW plasma observed by satellites inside the magnetosphere. During northwards conditions one observe the formation of a wide boundary layer (BL) at the low latitude. This BL is thought to be driven by the the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) , originating from the velocity shear between SW and the almost static near-Earth plasma. Numerical simulations (NS) have shown that the long time evolution of the KHI depends strongly on the initial large scale field profiles used as initial conditions. In order to make a further step towards the comprehension of this complex system, it is imperative to combine satellite data and NS. The idea here is to initialize NS by using in-situ observations of the main field profiles since only a correct initialization can reproduce the correct dynamics. The main results achieved in this work are: characterize the turbulence inside KH vortices and the small scale MR; select one event where there is a combination of a satellite measurements before and after KH develops, find that density and velocity profiles are shifted by a distance comparable to their shear lengths and that this initial shift cause a different evolution of the KHI leading to a final state in agreement with satellites observations.


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