Étude non-linéaire d'instabilité d'interchange, de type Rayleigh-Taylor, dans le milieu ionosphèrique

Study in the non-linear regime of interchange instability, of the Rayleigh-Taylor kind, in the ionospheric environment

• Auteur / Autrice : Quentin Cauvet
• Direction : Benoît Canaud, Benoît Bernecker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Galtier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Casner, Pierre-Louis Blelly, Benoît-Joseph Gréa, Marina Olazabal-Loumé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Casner, Pierre-Louis Blelly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilité de Rayleigh-Taylor

Ionosphère

Plasmas (gaz ionisés)

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Mhd

Plasma

Ionosphère

Rayleigh-Taylor

Ionosphere

Mhd

Plasma

Rayleigh-Taylor

Résumé

À l’ère de l’information, la fiabilité des télécommunications par ondes radio et/ou par satellites est devenue un défi important. Dans ce contexte, il devient crucial de quantifier la perte d’intensité du signal provoquée par des irrégularités dans l’ionosphère. Parmi celles-ci, nous avons l’"Equatorial Plasma Bubble" (EPB) et les striations, qui résultent d’instabilités d’interchange, similaires à l’instabilité de Rayleigh-Taylor (RTI). C’est à partir de ce constat que nous essayons d’adapter les modèles non linéaires déjà connus et utilisés pour la RTI hydrodynamique à son pendant pour les plasmas ionosphériques, à savoir l’Instabilité Rayleigh-Taylor généralisée (GRTI). La GRTI tient compte du fait que le plasma ionosphérique n’est que faiblement ionisé, de sorte que la force de friction avec l’atmosphère neutre ne peut être négligée. En conséquence, nous avons étendu ces modèles non linéaires et mis en évidence deux régimes : le régime inertiel, où nous retrouvons les résultats précédents de la RTI et le régime collisionnel, où la collision entre les neutres et les ions est prédominante. Elles ont également été confrontées à des simulations numériques réalisées avec deux codes développés au CEA-DAM, CLOVIS, travaillant avec un modèle de MHD idéale et ERINNA, travaillant avec un modèle électrostatique. Ainsi, nous montrons avec des nouveaux modèles analytiques et des simulations que dans le cas d’un mono-mode, la croissance de la structure suit √gλ⁄6π dans le régime inertiel et g⁄∨in dans le régime collisionnel. Dans le cas d’un multi-mode, la croissance du front de bulles suit αbgt² dans le régime inertiel, tandis que sa taille transverse suit la même tendance, et g⁄∨in dans le régime collisionnel, tout en maintenant une taille plutôt constante de bulles. En conclusion, nous présentons de nouveaux modèles analytiques qui décrivent la croissance non linéaire des instabilités ionosphériques, comme les EPB et les striations, ainsi que l’interaction non linéaire entre plusieurs bulles. Nous espérons qu’un jour ils pourront être couplés avec des codes de propagation d’ondes électromagnétiques pour quantifier les pertes en télécommunication.

In the era of information, the reliability of telecommunication by radio wave and/or via satellites hadbecome an important challenge. In this context, it is crucial to quantify the lost of signal intensity provoked by irregularities in the ionosphere. Among them, we have Equatorial Plasma Bubble (EPB) and striations, which results from interchange instabilities, similar to the classical Rayleigh-Taylor Instability (RTI). This is starting from this ascertain-ment that we try to adapt already known non-linear models used for hydrodynamical RTI to ionospheric plasma counterpart, namely the generalized Rayleigh-Taylor Instability (GRTI). The GRTI takes into account for the fact that ionospheric plasma is only weakly ionized, so that the friction drag with the neutral atmosphere cannot be neglected. As a consequence, we extended theses non-linear models and put into evidence two regimes: the inertial regime, where we retrieve previous result of RTI and the collisional regime, where the collision between neutrals and ions is predominant. It has also been confronted to numerical simulations performed with two codes developed in CEA-DAM, CLOVIS, working with a ideal-MHD model and ERINNA, working with a electrostatic model. Thus, we show, with new analaytical models and simulations, that in the single mode case the structure grows as √gλ⁄6π in the inertial regime and as g⁄∨in the collisional regime, For multi-mode case the bubble front grows as αbgt² in the inertial, while its transverse scale follows the same tendency, and as g⁄∨in in the collisional case, while maintaining a rather constant size of bubbles. In conclusion, we present new analytical models that describe the non-linear growth of ionospheric instabilities, like EPBs and striations, as well as the non-linear interaction between multiple bubbles. We hope that one day they could be coupled with electromagnetic wavepropagation codes to quantify the loss in telecommunication.