La polarisation des émissions thermosphériques : un outil pour comprendre l’environnement spatial terrestre

The polarisation of the thermospheric emissions : a tool to understand the terrestrial space environment

• Auteur / Autrice : Léo Bosse
• Direction : Jean Lilensten, Nicolas Gillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Aurore Bacmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Colette Brogniez, Hervé Lamy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Pitout, François-Marie Bréon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aurores

Polarisation (lumière)

Géomagnétisme

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modélisation

Géomagnétisme

Polarisation

Aurores

Airglow

Modelisation

Instrumentation

Geomagnetisme

Aurora

Airglow

Résumé

La météorologie de l'espace est un domaine de recherche vaste et interdisciplinaire qui vise à comprendre l'environnement spatial terrestre.Il comprend tout le système Soleil-Terre et les nombreuses interactions entre les différentes zones qui le composent.Entre autres, la haute atmosphère constitue une frontière entre l'atmosphère terrestre et l'espace.Cela en fait un objet d'étude complexe où l'empreinte de divers phénomènes spatiaux est observable.Ainsi, l'observer pour mieux la comprendre nous permettra peut-être de remonter jusqu'aux limites de la magnétosphère.Dans ce cadre, les travaux présentés ici ont pour but de mesurer les émissions de la haute atmosphère (aurores polaires, rayonnement nocturne) pour en détecter la polarisation.Tout d'abord, des mesures en condition polaire ont permis de détecter cette polarisation depuis le sol dans quatre longueurs d'ondes visibles.Ces observations ne suffisent cependant pas à garantir l'origine de la polarisation.En effet, celle-ci pourrait être due à la diffusion lumineuse qui se produit dans les basses couches de l'atmosphère.Pour identifier la source de la polarisation, un code de transfert radiatif polarisé a été développé qui simule les sources de pollutions lumineuses qui peuvent contribuer à la diffusion atmosphérique (villes, aurores, fond étoilé, etc...).Ce modèle a été d'abord testé et évalué face à des observations.Cela permet de le valider à moyenne latitude dans un environnement dominé par la lumière urbaine.Il est ensuite porté aux hautes latitudes où il est comparé aux mesures de polarisation de la lumière aurorale.Dans ce cadre, le modèle échoue à reproduire les observations à partir de la pollution lumineuse seulement.Cependant, si une polarisation tirant son origine dans la haute atmosphère est introduite, le modèle se rapproche des mesures de façon convaincante.Des travaux préliminaires sont conduits pour établir le lien entre la polarisation et la dynamique de la haute atmosphère grâce à la combinaison des mesures et du modèle.Celui-ci est complexe et nécessite des travaux supplémentaires pour être validé définitivement.Cependant, les résultats obtenus sont encourageants, et laissent présager de multiples applications pour la mesure de la polarisation du ciel nocturne qui sont : l'étude indirecte et en temps réel de la haute atmosphère, l'étude des aérosols et l'étude de la pollution lumineuse polarisée et de ses impacts sur l'environnement.

Space weather is a vast and interdisciplinary research field.It aims at understanding the Earth environment.It includes the whole Sun-Earth system and the many interactions that compose it.Among other things, the upper atmosphere forms a boundary between the Earth's atmosphere and space.This makes it a complex object of study where the imprint of various space phenomena can be observed.This way, observing the upper atmosphere to better understand it allows to deduce physical events taking place at the limit of the magnetosphere.In this context, the work presented here aims at observing the emissions of the upper atmosphere (auroras, nightglow) and detecting their polarization.First of all, measurements in polar conditions have allowed to assess this polarization from the ground in four visible wavelengths.Yet, these observations are not enough to guarantee the origin of the polarization.Indeed, this one could be due to the light scattering which occurs in the low layers of the atmosphere.To identify the source of the polarization, a polarized radiative transfer code is developed which simulates the sources of light pollution that can contribute to atmospheric scattering (cities, auroras, starlight, etc...).This model is first tested and evaluated against observations.This allows to validate it at mid-latitude in an environment dominated by urban light.It is then brought to high latitudes where it is compared to polarization measurements of auroral light.In this framework, the model fails to reproduce the observations from light pollution alone.If a polarization originating in the upper atmosphere is introduced, the model approaches the measurements in a convincing way.Preliminary work is being done to establish the link between polarization and upper atmosphere dynamics by combining measurements and the model.This model is complex and requires further work to be validated definitively.However, the results obtained are encouraging, and suggest many applications for the measurement of the polarization of the night sky: the indirect and real-time study of the upper atmosphere, the study of aerosols and the study of polarized light pollution and its impacts on the environment.