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ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIRE.

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1 ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIRE Aurélie MARCHAUDON

2 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour 3. Electrodynamique dun arc auroral côté nuit Modélisation et évolution temporelle de larc 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour 3. Electrodynamique dun arc auroral côté nuit 4. Conclusion et perspectives 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour Réponse à une rotation du champ magnétique interplanétaireRéponse à une rotation du champ magnétique interplanétaire Electrodynamique dun FTEElectrodynamique dun FTE 1.Réponse à des impulsions de la pression du vent solaire 1. 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 3.Présentation multi-instrumentale pour la méso- échelle Plan de lexposé

3 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 X 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 clés FEUILLET DE PLASMA - Couche limite séparant les lobes nord et sud - Réservoir où du plasma saccumule - Interruption du courant de queue vers lionosphère et éjection du plasma vers la Terre et le milieu interplanétaire Feuillet de plasma de la queue X

4 Plan méridien Mouvement des lignes de champ (3) reconnectées (ouvertes) dans la direction anti- solaire Convection du plasma dans la magnétosphère Reconnexion entre une ligne de champ interplanétaire (2) et une ligne de champ terrestre (1) fermée Reconnexion inverse Mouvement des lignes de champ terrestres fermées de la queue (1) dans la direction solaire Plan équatorial Projection dans lionosphère polaire Formation de 2 cellules de convection

5 Effet de la composante matin-soir (By) de lIMF sur 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 lhémisphère nord lécoulement 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

6 Systèmes de courants dans la magnétosphère Electrodynamique du système magnétosphère-ionosphère Courants parallèles et fermeture ionosphérique R1 Courants descendants Iijima et Potemra (1976) Courants montants R2 R1 Convection retour Electrojet Est Ionosphère JpJp JpJp JpJp Convection retour Calotte polaire JHJH E matin-soir Electrojet Ouest Magnétosphère Soleil 1200 MLT JHJH R1 J // R2 J // R1 J // R2 J // Matin 0600 MLT Soir 1800 MLT

7 Vent plasma Solaire Radars HF SuperDARN 2 chaînes autour des pôles magnétiques sondant lionosphère aurorale Champ électrique de convection ionosphérique Champs de vue des radars de lhémisphère nord Satellites basse altitude Satellite magnétique (Ørsted – CHAMP) ou Satellite magnétosphérique (FAST-DMSP): Champs électrique et magnétique Particules ions et électrons Conjonction multi-instrumentale Exemple de conjonction dans le cornet polaire Satellites Cluster Mesures multipoints dans la magnétosphère à haute (10-15 R E ) ou moyenne (3-5 R E ) altitude Champs électrique et magnétique Particules ions et électrons

8 IMF sud : reconnexion transitoire à la magnétopause - FTE impulsion de pression à la magnétopause Principaux stimuli directs du vent solaire sur la magnétosphère du côté jour Dans les 2 cas : génération de courants parallèles au champ magnétique

9 Similitudes entre les signatures ionosphériques des FTEs et des impulsions de pression Mouvement dans le cas dun FTE Mouvement dans le cas dune impulsion de pression Modèle de Southwood (1987) Formation dun double vortex de convection alimenté par une paire de courants parallèles Les impulsions de pression peuvent être également un déclencheur de la reconnexion transitoire (FTE) Les impulsions de pression peuvent être également un déclencheur de la reconnexion transitoire (FTE) Différence : FTE : V structure // V convection Pression : V structure V convection

10 Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster et SuperDARN Tétraèdre Cluster dans la magnétosphère (8-9 R E ) - 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 lIMF – 17/03/ :30 TU

11 Conditions interplanétaires – 17/03/2001 Inversions By-Bz entre 05:20 et 05:50 TU By :+ 3 nT – 5 nT Bz : + 3 nT – 1 nT P SW < 1 nPa Rotation IMF – 17/03/2001

12 Observations principales : Rotation de la convection liée à la rotation de lIMF : 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 a Cluster 1 - CIS c b Matin Soir Données Cluster et SuperDARN – 17/03/2001 e d SuperDARN Vitesses bleues : matin Vitesses jaune-rouge : soir 1 Rotation IMF – 17/03/2001

13 Matin Soir Vitesses de Convection Cluster et SuperDARN Comparaison vitesses de convection – 17/03/2001 Résultats : Direction : comparaison satisfaisante entre Cluster et SuperDARN à partir de 05:38 TU Amplitude : 1,5 fois supérieure à Cluster quà SuperDARN Rotation IMF – 17/03/2001

14 Injection 1 05:38:00 TU Injection 2 05:39:30 TU Injection 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 dHankasalmi 395 m.s m.s m.s -1 Vitesse SuperDARN le long du faisceau m.s m.s m.s -1 Comparaison vitesses de structure – 17/03/2001 B // (nT) B (nT) Cluster – FGM Exemple de linjection 3 sc1 sc2 sc3 sc4 Rotation IMF – 17/03/2001

15 Electrodynamique dun FTE – 12/09/1999 Conjonction dans le cornet polaire entre les satellites Ørsted et DMSP-F11 et SuperDARN Projection des trajectoires dØrsted et DMSP sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques 17:26 TU Radars SuperDARN : Kapuskasing (K) et Saskatoon (T)

16 Electrodynamique dun FTE – 12/09/1999 Données Ørsted et SuperDARN – 12/09/1999 SuperDARN - Kapuskasing Vitesse radiale Ørsted B et Courants parallèles FTE 4 nappes de courants parallèles de petite échelle Ørsted Apparition du FTE

17 Electrodynamique dun FTE – 12/09/1999 Courant de Pedersen (SuperDARN) J P = P E = P V 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 Southwood (1987): sur le système de FACs (3) et (4) Le système de FACs (3) et (4) est fermé uniquement par le courant de Pedersen à lintérieur du tube Le système de FACs (3) et (4) est fermé uniquement par le courant de Pedersen à lintérieur du tube Superposition courants parallèles-convection Courants associés au FTE – 12/09/1999

18 Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster (3-5 R E ), IMAGE et SuperDARN Réponse à des impulsions de la pression du vent solaire – 14/07/2001 Projection de Cluster sur les champs de vue SuperDARN – Coordonnées magnétiques Conditions interplanétaires: 5 < By < 10 nT Bz ~ -2 nT Impulsions de pression – 14/07/2001

19 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 vent solaire – 14/07/2001 Signature de reconnexion transitoire à la magnétopause (FTE) déclenchée par les impulsions de pression Signature de reconnexion transitoire à la magnétopause (FTE) déclenchée par les impulsions de pression Impulsions de pression – 14/07/2001 e Cluster 1 – CIS 14/07/2001 Cluster

20 Agencement spatio-temporel des réponses ionosphériques – 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 convection observés par SuperDARN sont une signature fossile de la reconnexion les sursauts de convection observés par SuperDARN sont une signature fossile de la reconnexion Impulsions de pression – 14/07/2001 IMAGE _ HWIC & SD 01:29 TUIMAGE _ 12LSI & Kodiak Vel 01:29 TU IMAGE _ 12LSI & Prince George Vel 01:29 TU 12 MLT MLT IMAGE et SuperDARN pour la 1 ère impulsion - coordonnées magnétiques

21 Conclusions côté jour Rotation IMF - 17/03/2001 Première comparaison quantitative des : - vitesses de convection - vitesses des tubes reconnectés entre la magnétosphère et l ionosphère Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003 Electrodynamique dun 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 - 14/07/2001 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

22 Electrodynamique des structures aurorales côté nuit Structures de potentiel en V daprès Marklund (1997) Cisaillement de champ électrique 1 FAC montant au centre de la région daccélération 2 FACs descendants sur les bords polaire et équatorial ALTITUDE DISTANCE HORIZONTALE Représentation 1D de cet arc Structures à 2D des arcs réels plus complexes Structures à 2D des arcs réels plus complexes

23 Conjonction autour de 0000 MLT entre les satellites Ørsted et FAST et SuperDARN Electrodynamique dun arc auroral côté nuit – 12/01/2000 Conditions interplanétaires stables: By < -5 nT Bz > +2 nT P SW = 2 nPa Projection des trajectoires dØrsted et FAST sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques Electrodynamique dun arc – 12/01/2000 Radars SuperDARN : Thikkvibaer (E) et Hankasalmi (F) 22:20 TU

24 Ørsted Polar-22:14:15 UT FAST Polar-22:35:08 UT FAST Oersted SuperDARN - 22:10-22:16 UT Electrodynamique dun arc – 12/01/2000 Convection et précipitations associées à larc – 12/01/2000 SuperDARN - 22:30-22:36 UT

25 Electrodynamique dun arc – 12/01/2000 Modélisation du profil latitudinal de la conductivité Pedersen - Cas Ørsted - 12/01/2000 Cisaillement de convection Modélisation 1D de P ARC Continuité du courant Ørsted Modélisation 2D de P 1D : y x Nord Est

26 Electrodynamique dun arc – 12/01/2000 Modélisation du profil longitudinal de la vitesse de convection - Cas FAST - 12/01/2000 Cisaillement de convection Modélisation 1D de V est ARC Continuité du courant (1D) Profil modélisé Profil expérimental 73.9° 67.15° Electrons précipitants de FAST Energy (eV)_ PA = 0-33° Log (eV.cm -2 _s_sr_eV) Mlat Time after 2233:55 UT 70.5° 63.7°

27 Conclusions côté nuit Electrodynamique dun arc auroral - 12/01/2000 Cas FAST : modélisation 1D bien adaptée Cas Ørsted : insuffisances de la modélisation 1D problème de lacquisition dentrées 2D pour la modélisation Evolution rapide de larc Passage FAST : divergence des courants Pedersen maintenue sans cisaillement de convection Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003

28 Conclusion générale Etude du comportement global des tubes de flux depuis les frontières de la magnétosphère jusquà lionosphère Résultats principaux Comparaison du comportement dun même tube de flux associé à de la reconnexion dans la magnétosphère et lionosphère Les impulsions de pression déclencheurs de la reconnexion Etude de lélectrodynamique de structures de moyenne échelle, côté jour et côté nuit Utilisation de plusieurs instruments situés en différents points du système magnétosphère-ionosphère

29 Perspectives de travail Etudes multi-instrumentales : quelques pistes de travail Côté 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 darc côté nuit une amélioration des entrées de la modélisation 2D : convection- courants parallèles (SuperDARN-Cluster)


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