Étude magnétopause avec une simulation numérique multi-fluide

Magnetopause study by means of a multi-fluid approach

• Auteur / Autrice : Roberto Manuzzo
• Direction : Laurence Rezeau, Francesco Califano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Università degli studi (Pise, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....)
• Jury : Président / Présidente : Caterina Riconda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roberto Bruno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Foullon, Jörg Büchner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Simulation par ordinateur

Structure magnétique

Magnétopause

Mots clés libres

Magnétopause

Structure magnétique

Non-stationnarité

Modèle multi-fluide

Simulation numérique

Mélange des plasmas

Magnetopause

Multi-fluid model

Plasma mixing

Résumé

Dans cette thèse, je présente des nouvelles méthodes qui permettent d'obtenir une analyse multi-fluide “réaliste” de la magnétopause de la Terre. Ce but est atteint en trois étapes. L'analyse des données est réalisée grâce à de nouvelles techniques qui relâchent 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. Techniques d'optimisation aident à choisir automatiquement les paramètres (seuils) dont les méthodes sont dépendent. Les profils spatiaux 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. Le modèle aide aussi a déterminer dans quelle proportion les deux populations ioniques 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. 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 et mènent à conclusions en ce qui concerne la distribution spatiale du mélange des deux populations.

In this thesis, new methods are presented which are able to obtain a ''realistic'' multi-fluid analysis of the Earth’s magnetopause. This goal is reached in three main steps. 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. Optimization techniques help in determining automatically the parameters (thresholds) the methods are dependent by.The spatial profiles 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. This model helps also in determining the two ions contributions to the total ion population where this information is not accessible analyzing the distribution functions. 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 analyzed magnetopause crossing and leads to conclusions about the spatial distribution of the mixing processes.