Magnetopause study by means of a multi-fluid approach
Étude magnétopause avec une simulation numérique multi-fluide
Studio della magnetopausa per mezzo di una simulazione numerica multi-fluida
Résumé
The Earth's magnetopause is the boundary between the solar wind plasma and the Earth's magnetospheric one. Across this current sheet (which is thin in comparison to the magnetosphere), the two plasmas mix in a poorly known way, controlling the exchanges of mass, energy and momentum between the two regions. Beyond the interest in understanding how these processes could impact on our lives (space weather), this system is worth studying in order to understand how two different plasma systems interact without laboratory set-up constraints.
In this thesis, new methods are presented which are able to obtain a "realistic" multi-fluid analysis of the solar wind - magnetosphere interaction. This goal is reached in three main steps: (1) the analysis of spacecraft data acquired across the magnetopause, (2) the set up of an analytical multi-fluid equilibrium model able to predict profiles consistent with observations, (3) the development of a multi-fluid code able to simulate the temporal evolution of the analytical profiles.
The analysis of spacecraft data acquired across the magnetopause is done by means of new techniques which relax most of the hypotheses usually assumed about the observed plasma structures. These techniques help in disentangling the principal causes of misunderstanding in data interpretations by discerning whether the observed variations are due to the magnetopause motion in the spacecraft frame or due to the purely temporal variations of the magnetopause structure. The new methods show consistent results but each of them demands to fix some threshold parameters. These thresholds are determined, in an objective way, by dedicated optimization techniques.
The spatial profiles obtained from the new data analysis techniques feed a new 3fluid analytical model (two ion and one electron populations) able to spatially confine the magnetospheric and magnetosheath plasmas in their own regions and letting them to partially overlap close to the contact boundary (the magnetopause). This model helps also in determining the magnetospheric and magnetosheath contributions to the total ion population where this information is not accessible analysing the distribution functions (e.g. in the mixing regions).
The 3fluid equilibrium computed by the analytical model is then perturbed and evolved in time by means of a new 3fluid numerical code, explicitly coded to take the 3fluid model outputs as inputs. The numerical model of the magnetopause develops a magnetic reconnection instability, in agreement to what is observed close to the analysed magnetopause crossing.
The results lead to preliminary conclusions about the temporal evolution and the spatial distribution of the mixing processes close to the magnetopause.
La magnétopause est la frontiere entre le plasma du vent solaire et celui de la magnétosphère terrestre.
A l'intérieur de cette couche de courant, qui est très fine à l'échelle de la magnétosphère, les deux plasmas se mélangent d'une façon encore mal connue mais qui contrôle les échanges de masse, de moment et d'energie entre les deux régions. Au delà de l'intérêt à comprendre comment ces phénomènes peuvent influencer notre vie (météorologie de l'espace), l'étude de ces systèmes est importante pour comprendre comment deux plasmas magnétisés différents interagissent lorsqu'ils viennent en contact, sans les limitations propres aux expériences de laboratoire.
Dans cette thèse, je présente des nouvelles méthodes qui permettent d'obtenir une analyse multi-fluide “realiste” de l'interaction vent solaire - magnétosphère. Ce but est atteint en trois étapes: (1) l'analyse des données acquises par les satellites lors de traversées de magnétopause, (2) la construction d'un modèle analytique d'équilibre donnant des profils compatibles avec les observations, (3) la mise au point d'un code multi-fluide permettant d'étudier l'évolution temporelle de ces profils analytiques pris comme condition initiale.
L'analyse des données est réalisée grâce à de nouvelles techniques qui relachent la plupart des hypothèses le plus souvent faites pour ces analyses. Ces techniques aident à distinguer si les variations observées sont causées par les mouvements de la magnétopause ou par la modification de sa structure au cours du temps. Les nouvelles méthodes montrent des résultats cohérents entre elles, mais elles dépendent de seuils. Ces seuils sont finalement déterminés de manière objective grâce à une technique d'optimisation.
Les profils spatiaux obtenus par l'analyse des données fournissent l'information primaire pour un nouveau modèle analytique 3fluides (deux populations ioniques et une population d'électrons), qui permet de faire en sorte que la population de chaque région voit sa densité s'annuler dans la région opposée avec une région de superposition au milieu (magnétopause).
Le modèle aide aussi a déterminer dans quelle proportion les populations de la magnetogaine et de la magnetosphère contribuent à la population ionique globale, même lorsque cette information n'est pas directement accessible dans les données, permettant en particulier d'expliquer la forme de la fonction de distribution ionique dans la région de superposition. L'équilibre décrit par ces profils analytiques est ensuite perturbé et pris comme condition initiale d'un code 3fluides, qui a été développé dans ce but. Le modèle de la magnétopause montre une instabilité de reconnexion magnétique, en accord avec ce qui est observé dans les données proches du cas analysé.
Les résultats de la simulation mènent également à des conclusions préliminaires en ce qui concerne l'évolution temporelle et la distribution spatiale du mélange des deux populations à l'intérieur de la magnétopause.
La magnetopausa é il confine tra il il plasma del vento solare e quello della magnetosfera terrestre. All'interno di questo strato di corrente, sottile rispetto alle dimensioni caratteristiche della magnetosfera, i due plasmi sono interessati da processi di mescolamento la cui dinamica non é ancora del tutto nota ma che é responsabile degli scambi di massa, quantità di moto ed energia tra le due regioni. Al di là dell'interesse nel comprendere come questi fenomeni possano influenzare la nostra vita (metereologia spaziale), lo studio di questo sistema é importante per capire come due diversi plasmi magnetizzati interagiscono quando entrano in contatto senza le limitazioni proprie degli esperimenti di laboratorio.
In questa tesi presento nuovi metodi che consentono di ottenere un'analisi multi-fluida "realistica" dell'interazione vento solare-magnetosfera. Questo obiettivo viene perseguito in tre tappe: (1) l'analisi dei dati acquisiti dai satelliti durante gli attraversamenti della magnetopausa, (2) la costruzione di un modello analitico di equilibrio da cui ricavare profili compatibili con le osservazioni, (3) la messa a punto di un codice numerico multi-fluido per studiare l'evoluzione temporale del sistema modellizzato con i profili analitici di cui sopra presi come condizione iniziale.
L'analisi dei dati \'e realizzata per mezzo di tecniche originali che permettono di eliminare la maggior parte delle ipotesi tipicamente assunte per i modelli di magnetopausa. Queste tecniche aiutano a distinguere se le variazioni osservate sono causate dai movimenti della magnetopausa o dalla modifica temporale della sua struttura. I nuovi metodi da me sviluppati mostrano risultati coerenti fra loro, ma dipendono dai valori di soglia di alcuni parametri. Le soglie sono determinate in maniera oggettiva mediante tecniche di ottimizzazione.
I profili spaziali ottenuti dall'analisi dei dati forniscono le informazioni principali per un nuovo modello analitico 3fluido che descrive un plasma composto da due popolazioni ioniche e una popolazione elettronica. Tale modello consente
di descrivere correttamente le due popolazioni ioniche che sono localizzate nelle due diverse regioni, si sovrappongono nella regione all'interfaccia (magnetopausa) e si annullano nelle opposte rispettive.
Il modello permette di determinare in che misura le popolazioni della magnetoguaina e della magnetosfera contribuiscono alla popolazione ionica totale, anche nel caso in cui queste informazioni non sono direttamente accessibili dai dati osservativi. In tal modo \'e possibile spiegare la forma delle funzioni di distribuzione ioniche nella regione di sovrapposizione. L'equilibrio descritto dal modello analitico viene quindi perturbato e usato come condizione iniziale da un codice 3fluido, sviluppato a questo scopo. La magnetopausa riprodotta numericamente mostra lo sviluppo di una instabilità magnetica - nota come riconnessione - in accordo con quanto osservato nei dati vicino al caso analizzato.
I risultati della simulazione numerica permettono di trarre alcune conclusioni circa l'evoluzione temporale e la distribuzione spaziale del processo di mescolamento delle due popolazioni all'interno della magnetopausa.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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