Simulation de l'environnement plasma de Ganymède : contraintes radiatives pour l'orbiteur JGO-JUICE

Simulation of Ganymede plasma environment : constraints for the JUICE-JGO orbiter

• Auteur / Autrice : Renaud Allioux
• Direction : Philippe Louarn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, science de l'espace et planétologie
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétosphère

Plasmas cosmiques

Jupiter (planète) -- Satellites

Mots clés libres

Ganymède

Magnétosphère

Juice

Plasma

Ejsm

Jgo

Simulation

Jupiter

Résumé

Ce travail de thèse vise à comprendre et modéliser l'environnement plasma proche de Ganymède dans le contexte de la mission spatiale EJSM/JUICE. Nous avons pour cela construit un modèle permettant de déterminer les caractéristiques des populations de particules énergétiques autour de Ganymède et réalisé plusieurs simulations modélisant l'interaction de la magnétosphère de Ganymède avec le plasma ambiant. La première partie de cette étude s'attache à développer un code de simulation particulaire, s'appuyant sur un calcul des trajectoires des particules dans l'environnement magnétisé de Ganymède et utilisant les propriétés du théorème de Liouville pour prédire les caractéristiques des populations d'ions et d'électrons de très hautes énergies autour de Ganymède. Nous avons étudié comment le cône de perte existant au-dessus des calottes polaires était affecté par les effets de rayons de Larmor finis et analysé les possibilités de piégeage dans les régions équatoriales. Nous pourrons ainsi décrire aussi précisément que possible l'organisation de l'espace des phases des ions et des électrons entre 0 et 4 rayons de Ganymède. Plusieurs modèles représentant le champ magnétique de Ganymède ont été testés et utilisés. Il a été montré qu'un modèle paramétrique multipolaire donne l'approximation la plus satisfaisante des observations du magnétomètre de Galileo. A partir de ce modèle magnétique, nous avons découvert que l'accumulation de particules dans les ceintures de radiations de Ganymède restait limitée. Les flux aux basses et moyennes énergies (quelques dizaines de keV pour les ions et quelques MeV pour les électrons) sont sensiblement les mêmes que ceux attendus dans la magnétosphère de Jupiter (sans les perturbations de Ganymède), malgré l'existence de particules piégées (en particulier des électrons), ce qui traduit l'absence de processus d'accumulation. La protection offerte par les lignes de champ fermées contre les particules d'énergies moyennes à fortes a été également démontrée. Nous avons ensuite appliqué ce modèle à l'étude de l'environnement radiatif auquel serait soumis un orbiteur potentiel proche de Ganymède. Ce travail a permis de démontrer que, par rapport au milieu Jovien ambiant, la présence de Ganymède et de son champ magnétique réduisait d'au moins 50% la dose attendue pour un orbiteur circulaire à basses altitudes. Différentes configurations orbitales ont été étudiées, nous confortant dans la nécessité de prendre en compte cette réduction dans les spécifications de la mission. Enfin, nous avons adapté un code de simulation hybride, développé par Ronan Modolo au LATMOS, au cas de l'interaction du plasma Jovien avec la magnétosphère de Ganymède. Le développement et l'utilisation de ce code a permis de décrire certains phénomènes inédits et d'étudier de manière originale le mouvement des espèces ioniques dans l'environnement de Ganymède, illustrant l'importance des phénomènes cinétiques dans cette micro magnétosphère. La comparaison des résultats de ce modèle aux observations de Galileo a permis de valider l'algorithme et les hypothèses de simulation.

The purpose of this work is to study the environment of Ganymede in the context of the EJSM-JUICE mission designed by ESA. Several simulations were performed to model the interaction of the Jovian plasma with Ganymede and its magnetic field. The first part was dedicated to the development of a particle simulation using Liouville Theorem in order to study the characteristics of high energy particle populations in the vicinity of Ganymede. The formation of loss cones over the polar caps and trapping region near the equator were investigated in order to describe the energy/pitch angle repartition of the various populations from 0 to 4 Ganymede radii. Several magnetic models and configurations were considered and compared to Galileo's observations. It is shown that a multipolar parametric magnetic model is the most realistic. We have shown that, even if trapping of particles (especially electrons) is possible in the region of close field lines, the formation of dense radiation belt is highly improbable due to upstream magnetic field compression that strongly perturbs the symmetry of the magnetic field. The density reduction, due to the shielding offered by the close field line and the surface absorption itself, was also studied. This model was then applied to the study of the radiation dose expected for a potential EJSM-JGO orbiter in close orbits. This part of the study was done in collaboration with ESA and EADSAstrium. It revealed that the influence of Ganymede and its magnetic field could reduce the expected dose received by the spacecraft by about 50% for orbit below 1000 km, compared to an undisturbed environment. Several orbital configurations were studied. They all show the importance of the reduction effect and the necessity of taking in consideration the shielding of Ganymede in the specification of the mission. Finally we have used a hybrid code developed by Ronan Modolo to simulate the interaction of the Jovian plasma with Ganymede's magnetosphere. We obtain innovative results compared to pure MHD models due to the possibility to take into account ion kinetic effects. We have identified asymmetries in the plasma dynamics close to near Ganymede and differences in the motion of the protons and oxygen.