La polarisation des émissions thermosphériques : un outil pour comprendre l'environnement spatial terrestre

par Léo Bosse

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Jean Lilensten et de Nicolas Gillet.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Notre équipe a découvert au cours des dernières années que le rayonnement rouge des aurores polaires est polarisé. Cette polarisation donne accès à plusieurs paramètres de l'environnement spatial : son activité géophysique et la configuration locale du champ géomagnétique. La thèse visera à : 1) Quantifier le lien entre polarisation et activité géomagnétique. Nous commençons à disposer d'une base de données de polarisation d'environ 500 heures. L'étudiant(e) travaillera à les comparer à l'activité géomagnétique. Nous nous appuierons sur Service International des Indices Géomagnétiques à Strasbourg, sur le Bureau Central de Magnétisme Terrestre (Paris). Nous organiserons des campagnes d'observations spécifiques. Le délivrable en sera une nouvelle façon d'observer l'activité géomagnétique par une observable in situ dans l'environnement spatial. Nous espérons également proposer un nouveau proxy de l'activité thermosphérique, ce qui n'existe pas encore en dépit d'un besoin impérieux. 2) Déterminer les liens entre champ magnétique interne et champ magnétique externe Une des principales limites à notre compréhension du champ magnétique dynamo, généré dans le noyau terrestre, est l'ambigüité entre sources externes et interne. Aux périodes plus courtes que quelques années, le champ atmosphérique (généré dans l'ionosphère et la magnétosphère) domine le signal, et sa séparation d'avec le signal dynamo n'est possible qu'imparfaitement. Les régions aurorales sont particulièrement problématiques : c'est là que résidus de signaux non modélisés sont les plus forts, en lien avec les courants électriques alignés aux lignes de champ à ces hautes latitudes. Ces signaux non compris polluent malheureusement les modèles magnétiques globaux dans leur ensemble. L'étudiant(e) modélisera les variations de la polarisation thermosphérique et les comparera au champ géomagnétique (équations de Maxwell) de manière à contraindre localement la direction du champ magnétique ionosphérique. Pour ce faire nous envisageons de calibrer le proxy magnétique issu des mesures de polarisation avec des signaux magnétiques ionosphériques. Il/elle considérera soit des variations relativement bien calibrées (signal par activité magnétique calme), soit au contraire des fluctuations intenses telles que celles générées lors de tempêtes magnétiques. Il / elle utilisera les reconstitutions issues des modèles globaux ainsi que des proxy issus des indices magnétiques. Ce travail fera l'objet d'une collaboration entre l'ISTerre, l'EOST et l'IPAG. Dans le cas où la transformation des données de polarisation en direction magnétiques s'avérerait probante, son bénéfice pour la modélisation globale du champ magnétique sera estimée avec des test synthétiques (qu'apporterait des mesures de polarisation conjointes aux données d'observatoires ? Aux données satellitaires ? Etc.). Ce projet vient en accompagnement scientifique d'un nouvel instrument de polarisation financé en prématuration CNRS. Il constitue entre l'IPAG et ISTerre une première collaboration formelle sur la complémentarité entre champs magnétiques interne et externe.

  • Titre traduit

    The polarisation of the thermospheric emissions : a tool to understand the terrestrial space environment


  • Résumé

    Our group discovered in recent years that the auroral red emission is polarized. This polarization gives access to several parameters of the space environment: its geophysical activity and the local configuration of the geomagnetic field. The thesis will aim to: 1) Quantify the link between polarization and geomagnetic activity. We have a polarization database of approximately 500 hours altogether, including two polar wintering. The student will work to link these data to geomagnetic activity. We will rely on the expertise of EOST in Strasbourg, which is responsible for the International Geomagnetic Indices Service (ISGI), and for magnetic field observations, on the Central Bureau of Terrestrial Magnetism (BCMT) which participates in the magnetic observation service of the IPGP. We will organize specific observation campaigns. The deliverable will be a new way of observing geomagnetic activity by an observable in situ in the space environment. We also hope to propose a new proxy for thermospheric activity, which does not yet exist despite a compelling need. 2) Evaluate the links between internal and external magnetic field One of the main limitations to our understanding of the dynamo magnetic field, generated in the Earth's core, is the ambiguity between external and internal sources. At periods shorter than a few years, the atmospheric field (generated in the ionosphere and the magnetosphere) dominates the signal, and its separation from the dynamo signal is only imperfectly possible. The auroral regions are particularly problematic: it is here that the unmodelled signal residues are the strongest, in connection with the electric currents aligned with the field lines at these high latitudes. These non-understood signals unfortunately pollute global magnetic models as a whole. The student will model the variations of the thermospheric polarization and compare them to the geomagnetic field (Maxwell's equations) so as to locally constrain the direction of the ionospheric magnetic field. To do this, we plan to calibrate the magnetic proxy resulting from polarization measurements with ionospheric magnetic signals. He / she will consider either relatively well calibrated variations (signal by calm magnetic activity), or contrary to intense fluctuations such as those generated during magnetic storms. He / she will use reconstructions from global models as well as proxy from magnetic indices. This work will be the subject of collaboration between ISTerre, EOST and IPAG. In the case where the transformation of the polarization data in the magnetic direction proves to be convincing, its benefit for the global modelling of the magnetic field will be estimated with synthetic tests (what would the polarization data bring to the data of observatories? satellites? Etc.).