ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIRE INTERPLANETAIRE Aurélie MARCHAUDON Aurélie MARCHAUDON
ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIRE. Aurélie MARCHAUDON. Plan de l’exposé. 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour - PowerPoint PPT Presentation
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ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC
LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIREINTERPLANETAIRE
Aurélie MARCHAUDONAurélie MARCHAUDON
1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère
2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour
3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuitModélisation et évolution temporelle de l’arcModélisation et évolution temporelle de l’arc
1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère
2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour
3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit
4.4. Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère
2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour• Réponse à une rotation du champ magnétique interplanétaireRéponse à une rotation du champ magnétique interplanétaire
• Electrodynamique d’un FTEElectrodynamique d’un FTE
• Réponse à des impulsions de la pression du vent solaireRéponse à des impulsions de la pression du vent solaire
1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère• Présentation de la magnétosphèrePrésentation de la magnétosphère
• Convection dans la magnétosphèreConvection dans la magnétosphère
• Electrodynamique de la magnétosphèreElectrodynamique de la magnétosphère
• Présentation multi-instrumentale pour la méso- échellePrésentation multi-instrumentale pour la méso- échelle
Plan de l’exposéPlan de l’exposé
MANTEAU
Reconnexion : B IMF nord
- Couche frontière, côté nuit, située hors du plan équatorial
- Transfert de plasma du vent solaire vers la magnétosphère par reconnexion dans la région des lobes
Manteau
XManteau
X
Cornet polaire
CORNETS POLAIRES
- Régions de lignes de champ ouvertes sur le milieu interplanétaire
- Entrée directe de plasma du vent solaire dans la magnétosphère
Cornet polaire
LLBL
Reconnexion : B IMF sud
- Couche frontière du côté jour de la magnétosphère
- Transfert de plasma du vent solaire vers la magnétosphère par reconnexion sur la face avant de la magnétosphère
LLBL
X
La magnétosphère terrestre et ses régions clésLa magnétosphère terrestre et ses régions clés
FEUILLET DE PLASMA- Couche limite séparant les lobes nord et sud
- Réservoir où du plasma s’accumule
- Interruption du courant de queue vers l’ionosphère et éjection du plasma vers la Terre et le milieu interplanétaire
Feuillet de plasma de la queue
X
Plan méridienMouvement des lignes de champ (3) reconnectées (ouvertes) dans la direction anti-solaire
Convection du plasma dans la magnétosphèreConvection du plasma dans la magnétosphère
Reconnexion entre une ligne de champ interplanétaire (2) et une ligne de champ terrestre (1) fermée
Reconnexion inverseMouvement des
lignes de champ terrestres fermées de la queue (1) dans la direction solaire
Plan équatorial Projection dans l’ionosphère polaire
Formation de 2 cellules de convection
Effet de la composante matin-soir (Effet de la composante matin-soir (ByBy) de l’IMF ) de l’IMF sur la convection magnétosphériquesur la convection magnétosphérique
Vue de la magnétosphère depuis le Soleil
Calotte polaire nord
En période de By > 0 :
• la tension magnétique tire les lignes de champ nouvellement reconnectées vers le matin, dans l’hémisphère nord
• l’écoulement du plasma entrant dans la calotte polaire possède également une composante matin
• les 2 cellules de convection se déforment :
Cellule matin en croissant
Cellule soir ronde
Systèmes de courants dans la magnétosphère
Electrodynamique du système Electrodynamique du système magnétosphère-ionosphèremagnétosphère-ionosphère
Courants parallèles et fermeture ionosphérique
R1
Courants descendants
Iijima et Potemra (1976)
Courants montants
R2R2
R1
Convection retour
Electrojet Est Ionosphère
Jp
JpJp
Convection retour
Calotte polaire
JH
Ematin-soir
Electrojet Ouest
Magnétosphère
Soleil1200 MLT
JH
R1J//
R2J//
R1J//
R2J//
Matin 0600 MLT
Soir1800 MLT
Vent
plasma
Solaire
Radars HF SuperDARN
2 chaînes autour des pôles magnétiques sondant l’ionosphère aurorale
Mesures multipoints dans la magnétosphère à haute (10-15 RE) ou moyenne (3-5 RE) altitude
• Champs électrique et magnétique
• Particules ions et électrons
IMF sud : reconnexion transitoire à la magnétopause - FTE
impulsion de pression à la magnétopause
Principaux stimuli directs du vent solaire sur la Principaux stimuli directs du vent solaire sur la magnétosphère du côté jour magnétosphère du côté jour
Dans les 2 cas :Dans les 2 cas : génération de courants parallèles au champ magnétique génération de courants parallèles au champ magnétique
Similitudes entre les signatures ionosphériques Similitudes entre les signatures ionosphériques des FTEs et des impulsions de pression des FTEs et des impulsions de pression
Mouvement dans le cas d’un FTE
Mouvement dans le cas d’une impulsion de pression
Modèle de Modèle de Southwood Southwood (1987) (1987)
Formation d’un double vortex de convection alimenté par une paire de courants parallèles
Les impulsions de pression peuvent être également un Les impulsions de pression peuvent être également un déclencheur de la reconnexion transitoire (FTE)déclencheur de la reconnexion transitoire (FTE)
Différence :Différence :
FTE : Vstructure // Vconvection
Pression : Vstructure Vconvection
Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster et SuperDARN
Tétraèdre Cluster dans la magnétosphère (8-9 RE) - Plan XZ GSM
Projection de Cluster sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques
Cornet polaire de haute altitude
Radars SuperDARN : Thikkvibaer (E) et Hankasalmi (F)
Rotation IMF – 17/03/2001
F
E
Cluster : ~78° MLAT~1130 MLT
Réponse à une rotation de l’IMF – 17/03/2001Réponse à une rotation de l’IMF – 17/03/2001
Comparaison vitesses de structure – 17/03/2001Comparaison vitesses de structure – 17/03/2001B
// (n
T)
B (
nT
)Cluster – FGM
Exemple de l’injection 3
sc1
sc2
sc3
sc4
Rotation IMF – 17/03/2001
Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999
Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999
Conjonction dans le cornet polaire entre les satellites Ørsted et DMSP-F11 et SuperDARN
Projection des trajectoires d’Ørsted et DMSP sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques
17:26 TU
Radars SuperDARN : Kapuskasing (K) et Saskatoon (T)
Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999
Données Ørsted et SuperDARN – 12/09/1999Données Ørsted et SuperDARN – 12/09/1999
SuperDARN - KapuskasingVitesse radiale
ØrstedB et Courants parallèles
FTE
4 nappes de courants 4 nappes de courants parallèles de petite échelleparallèles de petite échelle
Ørsted
Apparition du FTE
Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999
Courant de Pedersen (SuperDARN)
JP = P E = PV B = 0,225 A.m‑1
Courants parallèles (3) et (4) (Ørsted)
J//+ = J//─ = 0,18 A.m‑1
Précision : 20%
Vérification du modèle de Vérification du modèle de SouthwoodSouthwood (1987): (1987):
sur le système de FACs (3) et (4)
LLe système de FACs (3) et (4) est fermé uniquement par le e système de FACs (3) et (4) est fermé uniquement par le courant de Pedersen à l’intérieur du tube courant de Pedersen à l’intérieur du tube
Superposition courants parallèles-convection
Courants associés au FTE – 12/09/1999Courants associés au FTE – 12/09/1999
Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster (3-5 RE), IMAGE et SuperDARN
Réponse à des impulsions de la pression du Réponse à des impulsions de la pression du vent solaire – 14/07/2001vent solaire – 14/07/2001
Projection de Cluster sur les champs de vue SuperDARN – Coordonnées magnétiques
• Injections de plasma provenant de la magnétogaine (Cluster-1)
• 3 intensifications de précipitations aurorales (IMAGE)
• 3 sursauts de convection vers le nord (SuperDARN)
Réponses aux impulsions de la pression du Réponses aux impulsions de la pression du vent solaire – 14/07/2001vent solaire – 14/07/2001
Signature de Signature de reconnexion transitoire à reconnexion transitoire à la magnétopause (FTE) la magnétopause (FTE) déclenchée par les déclenchée par les impulsions de pressionimpulsions de pression
Impulsions de pression – 14/07/2001
eCluster 1 – CIS 14/07/2001
Cluster
Agencement spatio-temporel des réponses Agencement spatio-temporel des réponses ionosphériques – 14/07/2001ionosphériques – 14/07/2001
Les précipitations aurorales se produisent :
• en début de vie des sursauts de convection
• à plus basse latitude que les sursauts de convection
les sursauts de les sursauts de convection observés convection observés par SuperDARN sont par SuperDARN sont une signature fossile une signature fossile de la reconnexionde la reconnexion
Impulsions de pression – 14/07/2001
IMAGE _ HWIC & SD 01:29 TU IMAGE _ 12LSI & Kodiak Vel 01:29 TU IMAGE _ 12LSI & Prince George Vel 01:29 TU
12 MLT 12 MLT
70
80
18 MLT
IMAGE et SuperDARN pour la 1ère impulsion - coordonnées magnétiques
Conclusions côté jourConclusions côté jour
Rotation IMF - 17/03/2001Rotation IMF - 17/03/2001Première comparaison quantitative des :
- vitesses de convection- vitesses des tubes reconnectés
entre la magnétosphère et l ’ionosphère
Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003
Electrodynamique d’un FTE - 12/09/1999Electrodynamique d’un FTE - 12/09/1999• Première observation directe des courants parallèles d ’un FTE, en conjonction avec un sursaut de convection• Système de courants autonomes associé au FTE
Impulsions de pression - 14/07/2001Impulsions de pression - 14/07/2001• Les impulsions de pression du vent solaire peuvent être un déclencheur de la reconnexion• Les sursauts de convection ionosphérique sont une signature fossile de la reconnexion
Electrodynamique des structures aurorales Electrodynamique des structures aurorales côté nuitcôté nuit
Structures de potentiel en V d’après Marklund (1997)
Cisaillement de champ électrique
1 FAC montant au centre de la région d’accélération
2 FACs descendants sur les bords polaire et équatorial
AL
TIT
UD
E
DISTANCE HORIZONTALE
Représentation 1D de cet arc
Structures à 2D des arcs réels plus complexesStructures à 2D des arcs réels plus complexes
Conjonction autour de 0000 MLT entre les satellites Ørsted et FAST et SuperDARN
Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit – Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit – 12/01/200012/01/2000
Projection des trajectoires d’Ørsted et FAST sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques
Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000
Radars SuperDARN : Thikkvibaer (E) et Hankasalmi (F)
22:20 TU
Ørsted
Polar-22:14:15 UT
FAST
Polar-22:35:08 UT
FAST Oersted
SuperDARN - 22:10-22:16 UT
Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000
Convection et précipitations associées Convection et précipitations associées à l’arc – 12/01/2000à l’arc – 12/01/2000
SuperDARN - 22:30-22:36 UT
Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000
Modélisation du profil latitudinal de la Modélisation du profil latitudinal de la conductivité Pedersen - Cas Ørsted - 12/01/2000conductivité Pedersen - Cas Ørsted - 12/01/2000
Cisaillement de convection
Modélisation 1D de P
HPP ΣΣΣJ )(// EbEE
ARC
Continuité du courantContinuité du courant
Ørsted
Modélisation 2D de P
(y)BJ(y)VyV
ydyd
(y)1
ydyVd
P
//yx
P
P
x
)()()(
1D :1D :y
x
Nord
Est
Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000
Modélisation du profil longitudinal de la vitesse Modélisation du profil longitudinal de la vitesse de convection - Cas FAST - 12/01/2000de convection - Cas FAST - 12/01/2000
Cisaillement de convection
Modélisation 1D de Vest
ARC
(y)B
J(y)VyVydyd
(y)1
ydyVd
P
//yx
P
P
x
)()()(
Continuité du courant (1D) Continuité du courant (1D)
Profil modéliséProfil expérimental
73.9° 67.15°
Electrons précipitants de FAST
En
erg
y (
eV
)_ P
A =
0-3
3°
1000
10000
Lo
g (
eV
.cm
-2_
s_
sr_
eV
)
6.0
6.6
7.2
7.8
8.4
9.0
0 50 100 150
Mlat
Time after 2233:55 UT
70.5° 63.7°
Conclusions côté nuitConclusions côté nuit
Electrodynamique d’un arc auroral - 12/01/2000Electrodynamique d’un arc auroral - 12/01/2000
• Cas FAST : modélisation 1D bien adaptée
• Cas Ørsted : insuffisances de la modélisation 1Dproblème de l’acquisition d’entrées 2D pour la modélisation
• Evolution rapide de l’arcPassage FAST : divergence des courants Pedersen maintenue sans cisaillement de convection
Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003
Conclusion généraleConclusion générale
Etude du comportement global des tubes de flux depuis les Etude du comportement global des tubes de flux depuis les frontières de la magnétosphère jusqu’à l’ionosphèrefrontières de la magnétosphère jusqu’à l’ionosphère
Résultats principauxRésultats principaux
• Comparaison du comportement d’un même tube de flux associé à de la reconnexion dans la magnétosphère et l’ionosphère
• Les impulsions de pression déclencheurs de la reconnexion
• Etude de l’électrodynamique de structures de moyenne échelle, côté jour et côté nuit
Utilisation de plusieurs instruments situés en différents points du Utilisation de plusieurs instruments situés en différents points du système magnétosphère-ionosphèresystème magnétosphère-ionosphère
Perspectives de travailPerspectives de travail
Etudes multi-instrumentales : quelques pistes de travailEtudes multi-instrumentales : quelques pistes de travail
Côté jourCôté jour
• une meilleure description du système de courants associés au FTE
• une confirmation des idées actuelles sur le déroulement de la « vie du FTE »
Structures d’arc côté nuitStructures d’arc côté nuit
• une amélioration des entrées de la modélisation 2D : convection-courants parallèles (SuperDARN-Cluster)