Études des émissions radio et rayons X des éjections de masse coronale et leur pertinence pour la météorologie de l'espace

Radio and X-ray studies of Coronal Mass Ejections and their relevance for Space Weather

• Auteur / Autrice : Carolina Salas Matamoros
• Direction : Karl-Ludwig Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....) - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Sauty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karl-Ludwig Klein, Benoît Lavraud, Silja Pohjolainen, Karine Bocchialini, Lela Taliashvili
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Lavraud, Silja Pohjolainen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace extra-atmosphérique

Météorologie

Radioastronomie

Soleil -- Couronne

Soleil -- Activité

Mots clés libres

Soleil

Emission radio

Cme

Météorologie de l'espace

Sun

Radio emission

Cme

Space weather

Résumé

La couronne solaire est un milieu très dynamique : instabilités du champ magnétique, qui structure le plasma, conduit à l'accélération et le chauffage des particules chargées et à l'éjection de grandes structures dans l'héliosphère, les émissions de masse coronale (CME, selon ces sigles en anglais). Ces structures magnétiques éjectées peuvent interagir avec le champ magnétique de la Terre et affecter le plasma de l'environnement. Ces structures conduisent également à l'induction des courants électriques dans le sol à des latitudes élevées. L'étude de l'origine et de la propagation de ces émissions est d'intérêt pour l’astrophysique dans l’encadre des applications générales et pour la météorologie de l’espace. La compréhension des processus de base est une condition importante pour l'élaboration des méthodes de prévision des arrivées de ces perturbations en utilisant des observations de la couronne solaire. Les CMEs sont observées et étudiées à travers des images coronographiques. La limitation fondamentale du coronographe est qu'il montre la couronne seulement dans le plan du ciel, donc il bloque, forcément, la vue sur le disque solaire. Mais le geoefficacité d'une CME dépend essentiellement de la proximité à la ligne Soleil- Terre et de l'évolution dans la basse couronne que ne sont pas visibles à travers des observations coronographiques. Un des problèmes est la difficulté d’estimer l'arrivée d'une CME à la Terre, parce que les mesures avec coronographes directes de la vitesse de propagation des CMEs qui est dirigée vers la Terre ne sont pas possibles dans la ligne Soleil-Terre. Cette thèse présente l'étude des CMEs en trois étapes : (1) une étude de cas de l'évolution CME dans la bassecouronne et son rôle dans l'accélération des particules, (2) la relation entre la polarisation de l'émission de sursauts radio de type IV associées à CMEs dans la couronne et l'orientation du champ magnétique observé quand les CMEs arrivent à la Terre, et (3) des estimations radiatives de la vitesse des CMEs pour les prévisions des temps d’arrivée des CMEs à la Terre. Imagerie en utilisant des émissions radio dans la basse couronna peut montrer les signatures des CMEs sur le disque solaire. Des études précédentes avec le Radiohéliographe de Nançay (NRH) suggèrent, en fait, que les images de radio aux longueurs d'onde métriques peuvent suivre l'évolution des CMEs bien avant qu'ils deviennent visibles dans la couronne. Le diagnostic de l'évolution CME dans la basse couronne développée dans ce travail a été illustrée par l'étude de l'événement éruptif du 26 Avril 2008, qui a offert une occasion unique d'étudier le lien physique entre une seule CME bien identifiée, l'accélération des électrons tracé par émission radio, ainsi que la production des particules énergétiques solaires (SEP, selon ces sigles en anglais) observées dans l'espace. Nous effectuons une analyse détaillée en combinant les observations radio (NRH et DAM, Wind / WAVES spectrographe) et les observations de la couronne avec des satellites dans EUV et lumière blanche, ainsi que des mesures ‘in situ’ des particules énergétiques près de 1UA (satellites SoHO et STEREO). En combinant des images prises à partir de plusieurs points de vue, nous avons pu déduire l'évolution 3D en fonction du temps du front de l’éjection de mass qui s’est développée autour de l’éruption de la CME. Enfin, nous avons identifié, à partir des observations radio et SEP, trois régions différentes d'accélération des particules associées à l'évolution de la même CME, séparés en longitude environ 140°.

The solar corona is a highly dynamical medium: instabilities of the magnetic field, which structure the plasma, lead to the acceleration and heating ofcharged particles and to the ejection of large structures into the heliosphere, the Coronal Mass Ejections (CMEs). These ejected magnetic structures can interact with the Earth's magnetic field and thereby affect the plasma environment and the high atmosphere of the Earth. Studying the origin and propagation of CMEs is of interest for both astrophysics in general and space weather applications. The understanding of the basic processes is indeed a pre-requisite for developing prediction methods of potentially geo-effective disturbances based on observations of the solar corona.The CMEs are observed and studied primarily through coronographic images. The basic limitation of the coronagraph is that it shows the corona only in the plane of the sky, and blocks by necessity the view on the solar disk. But the geoeffectiveness of a CME depends crucially on the proximity to the Sun-Earth line and the measurements of the propagation speed, onset and early evolution of CMEs in the low corona are not accessible to coronographic observations. This thesis presents the study of CMEs in three different stages: (1) a case study of the CME evolution in the low corona and of its role in particle acceleration, (2) the relationship between the polarisation of the type IV radio emission associated with Earth-directed CMEs in the corona and the orientation of the magnetic field observed as the CMEs arrive at the Earth, and (3) the estimation of the travel times of CMEs to the Earth. Radio imaging with the Nancay Radioheliograph (NRH) suggest that radio images at metric wavelengths track the early evolution of CMEs well before they become visible in the corona. The examination of the CME evolution in the low corona developed in this work was illustrated through the study of the eruptive event on 26 April 2008, which offered a unique opportunity to investigate the physical link between a single well-identified CME, electron acceleration as traced by radio emission, and the production of solar energetic particles (SEPs) observed in space. We conduct a detailed analysis combining radio observations (NRH and Decameter Array, Wind/WAVES spectrograph) with remote-sensing observations of the corona in extreme ultraviolet (EUV) and white light as well as in-situ measurements of energetic particles near 1AU (SoHO and STEREO spacecraft). By combining images taken from multiple vantage points we were able to derive the time-dependent evolution of the 3D pressure front developing around the erupting CME. Finally, we identified, from the radio and SEP observations, three different particle acceleration regions associated to the evolution of the same CME, separated in longitude by about 140°. The observations for this event showed that it is misleading to interpret multi-spacecraft SEP measurements in terms of one acceleration region in the corona.