Etude physique et numérique de la saturation des ceintures de Van Allen

Physical and numerical studies of the Van Allen belts saturation

• Auteur / Autrice : Edouard Le Bel
• Direction : Françoise Simonet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance cyclotronique

Van Allen, Ceinture de

Résumé

Cette thèse concerne l'évaluation des flux d'électrons piégés de manière stable sur une ligne de champ magnétique. L'injection d'électrons énergétiques, lors d'évènements naturels ou artificiels, va entraîner l'excitation d'ondes whistlers. Par résonance cyclotron, celles-ci vont induire une diffusion des électrons énergétiques dans l'espace des impulsions, en dépiégeant ainsi une fraction. Les flux d'électrons piégés sont évalués à partir du bilan entre le processus de piégeage des électrons énergétiques par le champ magnétique terrestre et le processus de dépiégeage par les ondes whistlers. Le travail de cette thèse a visé dans un premier temps à déterminer les caractéristiques des ondes whistlers excitées parallèlement au champ magnétique terrestre par une population d'électrons d'énergie 1MeV. Elles sont déduites pour différents type d'instabilités (anisotropie de température, de cône de perte et de type faisceau) à partir d'une analyse linéaire relativiste des interactions de gyrorésonance en prenant en compte les ions dans la relation de dispersion. Dans un second temps, une analyse quasi-linéaire stationnaire relativiste et auto-consistante des interactions de gyrorésonance entre les ondes whistlers excitées et des électrons énergétiques injectés permet les flux et les temps de vie des électrons piégés de manière stable dans la magnétosphère, ainsi que les niveaux des ondes whistlers. Différents régimes de diffusion en angle d'attaque sont observés selon l'intensité de la source. Pour de plus fortes intensités de source d'électrons énergétiques les flux d'électrons piégés ne peuvent être établis qu'à partir d'une analyse non-linéaire. Un code particulaire mono-dimensionnel, électromagnétique et relativiste est donc utilisé pour évaluer les flux d'électrons piégés prenant en compte simultanément les processus de diffusion en énergie et de diffusion en angle d'attaque des électrons énergétiques en interactions avec les ondes excitées.

This dissertation is linked to the evaluation of stably trapped electron fluxes on a magnetic field line in the magnetosphere. The injection of energetic electrons during natural or artificial events induces whistler waves excitation. By cyclotron resonance, these ones induce scattering in momentum space, and results in losses of electrons. The stably trapped electron fluxes are deduced from the balance of the trapping by geomagnetic field and from the losses by the whistler waves-electrons interactions. In a first part this work was especially related to evaluate the characteristics of the whistler waves in propagation along the magnetic field excited by a population of 1MeV energetic electrons. For different instabilities (as such as temperature anisotropy, loss cone or beam type instability), they are deduced from an linear analysis of gyroresonant interactions taking account the ion term in dispersion relation. In a second part, a stationary relativistic self-consistent quasilinear analysis of gyroresonant interactions between the excited whistler waves and the injected energetic electrons deals to evaluate the fluxes and the life time of the stably trapped electrons in the magnetosphere and also the levels of the whistler waves. Different diffusion regimes are observed according to the intensity of the injection rate of electrons. For stronger injection rates the electron fluxes can be established only from nonlinear analysis. An one dimensional electromagnetic relativistic PIC code is therefore used for evaluate the trapped electron fluxes taking in account simultaneously the energy and the pitch angle diffusion process of the energetic resonant electrons with excited waves.