Dynamique de particules énergétiques dans les ceintures de radiation pendant les orages solaires

par Mélanie Cosmides

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Jean-François Ripoll.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 18-11-2020 .


  • Résumé

    Les équipements électroniques des satellites en orbite sont constamment soumis aux flux de particules énergétiques qui évoluent au gré des fluctuations du champ magnétique terrestre. Les doses de particules énergétiques reçues dépendent fortement des injections de particules provenant des éjections de masse coronarienne lors d'orages solaires, ainsi que du vent solaire et de la réponse de la magnétosphère terrestre au vent solaire. L'objet de cette thèse est de calculer et d'étudier la dynamique d'ions et d'électrons énergétiques pendant des orages solaires, avec une focalisation sur la résolution des pertes de particules soudaines liées à la compression des lignes du champ magnétique par le vent solaire (i.e. dropouts) et les accélérations locales ou non. L'approche de la thèse sera double, avec d'une part un effort de modélisation des ceintures de radiation, et d'autre part une partie d'analyse des observations satellites. La modélisation s'appuiera sur un code moderne de transport 3D de particules de type particules-tests (formulation Halmitonienne) dans l'environnement magnéto-électrodynamique de la magnétosphère terrestre. Ce code intègre différents modèles du champ magnétique terrestre et du champ électrique ambiant issu d'ondes à ultra basse fréquence qui détermine le transport des particules évoluant dans cet environnement. Il s'agira de réaliser des simulations de la dynamique de particules dans un champ magnétique terrestre réaliste et variable, représentatif d'orages solaires, pour des temps courts (<48h, plus selon les ressources disponibles). Le candidat cherchera à mettre en place un modèle d'interactions onde-électrons pour la résolution de l'accélération locale. On cherchera à reproduire des accélérations rapides associées aux orages ou des pénétrations non-diffusives de particules. Le candidat utilisera également un code Fokker-Planck de diffusion quasi-linéaire pour le calcul de l'évolution aux temps court/long des ceintures de radiation, avec une prise en compte du champ magnétique variable et non-dipolaire lors d'orages solaires. L'utilisation de deux méthodes de calculs permettra de mettre en valeur les avantages de chacune et de quantifier la précision de la méthode quasi-linéaire dans des conditions variables et complexes. En parallèle, le candidat développera des moyens de traitement, d'analyse et de visualisation de données satellites (e.g. NASA Van Allen Probes, ESA ProbaV, JAXA Arase) qui serviront à étudier directement les phénomènes physiques observés lors d'orages solaires, à produire les données nécessaires aux codes de calculs pour réaliser des simulations réalistes (e.g. conditions initiales, conditions limites, profils de flux mesurés de référence, etc.), ainsi qu'à valider les simulations.

  • Titre traduit

    Dynamics of energetic particles in the Earth's radiation belts during geomagnetic storms


  • Résumé

    The objective of this PhD thesis is to study and compute the dynamics of energetic ions and electrons in the Earth magnetosphere during geomagnetic storms. During the PhD, we will mainly use the Van Allen Probes data and a modern numerical code of 3D test particles. The goal will be to reproduce both local acceleration, thanks to a new wave-particle interaction model that will be implemented during the PhD, and global acceleration caused by adiabatic transport. Comparison with a Fokker-Planck code will also be pursued.