Numerical modeling of streamer discharges in preparation of the TARANIS space mission

par Mohand Ameziane Ihaddadene

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Michel Tagger.

Le président du jury était Anne Bourdon.

Le jury était composé de Michel Tagger, Anne Bourdon, Serge Soula, Liu Ningyu, Jean-Louis Pincon, Thomas Farges, Sébastien Célestin.

Les rapporteurs étaient Serge Soula, Liu Ningyu.

  • Titre traduit

    Modélisation numérique des décharges streamers pour la préparation à la mission spatiale TARANIS


  • Résumé

    Les sprites sont de gigantesques phénomènes lumineux qui sont produits entre 40 et 90 km d’altitude généralement par des éclairs nuage-sol positifs. Les sprites sont des phénomènes très brefs (durée de quelques millisecondes) qui appartiennent à la famille des TLEs (évènements lumineux transitoires) et qui sont composés de structures filamentaires nommées streamers. Les streamers sont des filaments de plasma, qui se propagent à des vitesses allant jusqu’à ∼10⁷ m/s et qui possèdent des champs électriques très forts souvent proches de 150 kV/cm (champs réduit à la pression atmosphérique). Lors de ce travail, on a développé un modèle fluide de plasma qui simule les décharges streamers couplées avec un modèle simulant les émissions optiques afin d’étudier la physique des streamers, des TLEs et plus particulièrement des sprites dans le cadre de la mission spatiale TARANIS. Cette mission a pour objectif d’étudier le système Atmosphère-Ionosphère-Magnétosphère, et observera les TLEs et leurs émissions associées: électromagnétiques, optiques, et probablement radiations énergétiques depuis le nadir. Dans cette thèse, on propose d’étudier certains problèmes liés aux streamers et aux sprites qui sont cruciaux pour préparer la mission TARANIS. Plus particulièrement nous abordons certains mécanismes de production de radiations énergétiques par les streamers récemment proposés dans la littérature et nous développons une méthode qui permet de déterminer l’altitude, la vitesse et le champ électrique des streamers des sprites, à partir d’une analyse spectroscopique de leurs émissions optiques. Nos résultats renforceront donc le retour scientifique des futures missions spatiales observant les TLE depuis le nadir et particulièrement TARANIS.


  • Résumé

    Sprites are large optical phenomena usually produced between 40 and 90 km altitude generally by positive cloud-to-ground lightning (+CG). These are short lifetime phenomena (duration of few milliseconds) that belong to the family of transient luminous events (TLEs) and composed of complex filamentary structures called streamers. Streamers are non-thermal plasma filament, highly collisional, propagating with velocities up to 10⁷ m/s, and characterized with high electric fields at their heads often close to 150 kV/cm when scaled to ground level air. In this work, we have developed a streamer plasma fluid model coupled with an optical emission model to investigate the physics of streamers and sprites in the framework of the TARANIS space mission. TARANIS will observe TLEs from a nadir-viewing geometry along with their related emissions (electromagnetic and particles). In this dissertation, we investigate some mechanisms of emission of energetic radiation from streamers recently proposed in the literature and we present an original spectroscopic method to determine sprite streamers altitudes, velocities, and electric fields through their optical emissions. This method is especially useful for increasing the scientific return of space missions that have adopted nadir-based observation strategies.


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