Aurélie MARCHAUDON

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


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


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

• Champ électrique de convection ionosphérique

Champs de vue des radars de l’hémisphère

nord

Satellites basse altitude

Satellite magnétique (Ørsted –CHAMP)

ou

Satellite magnétosphérique (FAST-DMSP):

• Champs électrique et magnétique

• Particules ions et électrons

Conjonction multi-instrumentaleConjonction multi-instrumentale

Exemple de conjonction dans le cornet polaire

Satellites Cluster

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

05:30 TU

Conditions interplanétaires – 17/03/2001Conditions interplanétaires – 17/03/2001

Inversions By-Bz entre 05:20 et 05:50 TU

By : + 3 nT – 5 nT

Bz : + 3 nT – 1 nT

PSW < 1 nPa


Observations principales :Observations principales :

• Rotation de la convection liée à la rotation de l’IMF :

Matin Soir Matin

délai de 2 min entre Cluster et SuperDARN

• Injections de plasma durant la période 1 :

Cluster :

- pics de densité et de vitesse de convection

SuperDARN :

- sursauts de convection vers le soir

- structures de puissance renforcée

aCluster 1 - CIS

c

bMatin

Soir

Données Cluster et SuperDARN – 17/03/2001Données Cluster et SuperDARN – 17/03/2001

e

d

SuperDARN Vitesses bleues : matinVitesses jaune-rouge : soir

1


Matin

Soir

Vitesses de Convection Cluster et SuperDARN

Comparaison vitesses de convection – 17/03/2001Comparaison vitesses de convection – 17/03/2001

Résultats :Résultats :

• Direction : comparaison satisfaisante entre Cluster et SuperDARN à partir de 05:38 TU

• Amplitude : 1,5 fois supérieure à Cluster qu’à SuperDARN


Injection 1 05:38:00 TU

Injection 2

05:39:30 TUInjection 3 05:42:30 TU

Vitesse FGM haute altitude 7,46 km.s-1 15,35 km.s-1 10,75 km.s-1

Vitesse FGM projetée le long du faisceau 14 d’Hankasalmi

395 m.s395 m.s-1-1 645 m.s645 m.s-1-1 590 m.s590 m.s-1-1

Vitesse SuperDARN le long du faisceau 14

420 m.s420 m.s-1-1 710 m.s710 m.s-1-1 650 m.s650 m.s-1-1

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


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)


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


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

Conditions interplanétaires:Conditions interplanétaires:

5 < By < 10 nT

Bz ~ -2 nT

Impulsions de pression – 14/07/2001

3 impulsions de pression :

• 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


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


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

Conditions interplanétaires Conditions interplanétaires stables:stables:

By < -5 nT

Bz > +2 nT

PSW = 2 nPa

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


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


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


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)

Aurélie MARCHAUDON

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