Processus de conversion d'énergie liés aux fronts de dipolarisation dans la queue géomagnétique

Energy Conversion Processes related to Dipolarization Fronts in the Earth’s magnetotail

• Auteur / Autrice : Soboh Alqeeq
• Direction : Patrick Canu, Olivier Le Contel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 21/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des plasmas (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Issautier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cecilia Norgren, Christian Jacquey, Suleiman Baraka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Passot, Claire Foullon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Champs électromagnétiques

Reconnexion magnétique

Énergie -- Conversion directe

Magnétosphère

Mots clés libres

Conversion d'énergie

Fronts de dipolarisation

Magnétosphère terrestre

Queue géomagnétique

Transport de plasma

Energy Conversion

Dipolarisation Fronts

Earth's magnetosphere

Earth's magnetotail

Plasma transport

Résumé

Des écoulements rapides de plasma ont été détectés depuis longtemps dans le côté nuit de la magnétosphère terrestre, la queue géomagnétique. Différents processus de formation tels que la reconnexion magnétique ou l'instabilité cinétique de ballonnement-interchange sont toujours étudiés. Lors de leur propagation vers la Terre, ces écoulements produisent une brusque augmentation de la composante nord du champ magnétique appelée front de dipolarisation (DF). Ces structures cinétiques contribuent de manière significative à la dissipation d'énergie dans la magnétosphère. Cette étude a pour but de mieux comprendre les processus de conversion d'énergie décrits par le terme J · E (J étant la densité de courant et E le champ électrique) qui se produisent au voisinage de ces fronts et à déterminer leur rôle dans le cycle global de l'énergie dans la magnétosphère. En utilisant les mesures in situ de la mission Magnétosphérique Multiscale, constituée de quatre satellites identiques évoluant dans une configuration tétraédrique et séparés à l'échelle des électrons, j'ai d'abord étudié les structures de densité de courant, les différents termes de la loi d'Ohm, et les processus de conversion d'énergie de 6 fronts. J'ai montré que les ions étaient découplés du champ magnétique principalement par l'effet du champ électrique de Hall mais que la contribution du gradient de pression électronique était aussi significative. Cela implique aussi que les électrons sont aussi découplés par leur propre gradient de pression au niveau du front. En ce qui concerne les processus de conversion d'énergie dans le référentiel du satellite, l'énergie est transférée des champs électromagnétiques au plasma en amont du front (région de dissipation ou de charge) alors qu'elle est transférée du plasma aux champs (région de dynamo ou de générateur) en aval. Cette inversion de la conversion d'énergie est causée par l'inversion du courant diamagnétique dominé par le gradient de pression des ions au niveau du front. Dans le référentiel fluide (électrons ou ions), l'énergie est transférée aux champs en raison du champ électrique associé au gradient de pression électronique ce qui pourrait contribuer au ralentissement de l'écoulement. De plus, il est montré que les processus de conversion d'énergie ne sont pas homogènes à l'échelle électronique principalement en raison des variations du champ électrique. Ces résultats d'études de cas ont été étendus grâce à une étude statistique réalisée sur l'ensemble de la saison 2017 durant laquelle MMS était localisée dans la queue géomagnétique. A partir de cette étude, il s'avère que deux classes de DF peuvent être distinguées. La classe I (74,4%) correspond aux propriétés standards des DF et à une dissipation d'énergie. La classe II (25,6%), qui est nouvelle, inclut les 6 DF précédemment discutés et correspond à une bosse du champ magnétique associée à un minimum des pressions ionique et électronique et à une inversion du processus de conversion d'énergie (dissipation puis dynamo). L'origine possible de cette deuxième classe est discutée. Pour les deux classes de DF, il est montré que le processus de conversion d'énergie dans le référentiel du satellite est gouverné par le courant diamagnétique dominé par le gradient de pression des ions. Dans le référentiel fluide, il est lié au gradient de pression des électrons.

Fast plasma flows have been detected in the nightside of the Earth's magnetosphere, the magnetotail, for a long time. Different processes such as magnetic reconnection or kinetic ballooning-interchange instability are still investigated. While propagating Earthward, these flows generate a sharp increase of the northward component of the magnetic field named dipolarisation front (DF). These kinetic scale structures contribute significantly to the energy dissipation in the magnetosphere. This study aims at better understanding the energy conversion processes described by J · E (J being the current density and E the electric field) which occur in the vicinity of these fronts and at determining their role in the energy global cycle of the magnetosphere. Using in situ measurements from the Magnetospheric Multiscale mission, which consists of four identical satellites evolving in a tetrahedral configuration and separated at electron scales, I have first investigated the current density structures, the different terms of the Ohm's law, and the energy conversion processes for 6 DFs. I found that for all DFs, ions are mainly decoupled from the magnetic field by the Hall electric field but the electron pressure gradient also contributes. It implies that electrons are decoupled by their own pressure gradient at DF. Regarding the energy conversion processes in the spacecraft frame, the energy is transferred from the electromagnetic fields to the plasma ahead of the DF (dissipation or loading region) whereas it is transferred from the plasma to the fields (dynamo or generator region) behind the front. This energy conversion reversal is caused by the reversal of the ion diamagnetic current at DF. In the fluid frame, the energy is always transferred to the fields, due to the electric field generated by the electron pressure gradient, which could contribute to the slowdown of the flow. Furthermore, it is shown that the energy conversion processes are not homogeneous at the electron scale mostly due to the variations of the electric fields. These case study results have been extended thanks to a statistical study carried out over the full 2017 magnetotail season. From this study, it turns out that two DF classes can be distinguished: class I (74.4%) corresponds to the standard DF properties and energy dissipation whereas a new class II (25.6%), which includes the 6 DF previously discussed, corresponds to a bump of the magnetic field associated with a minimum of the ion and electron pressures and a reversal of the energy conversion process. The possible origin of this second class is discussed. For both DF classes, it is shown that the energy conversion process in the spacecraft frame is driven by the diamagnetic current dominated by the ion pressure gradient. In the fluide frame, it is driven by the electron pressure gradient.