Modélisation globale et temporelle des ions planétaires dans la magnétosphère de Mercure

Global and Time-dependent Modeling of Planetary Ions in Mercury's Magnetosphere

• Auteur / Autrice : Anita Linnéa Elisabeth Werner
• Direction : François Leblanc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Planétologie
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Savoini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Timothy A. Cassidy, Jean-Yves Chaufray, Dominique Fontaine, Beatriz Sánchez-Cano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Dandouras, Matthieu Kretzschmar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement solaire

Ions lourds

Magnétosphère

Atmosphère

Mercure (planète)

Mots clés libres

Mercure

Exosphère

Ions planétaires

Magnétosphère

Évènement radiatif solaire

MESSENGER

FIPS

BepiColombo

Mercury

Planetary ions

Exosphere

Résumé

L’environnement de Mercure est composé d’ions lourds originaires de l’atmosphère non-collisionnelle de Mercure (l’exosphère). La distribution spatiale des ions les plus abondants a été caractérisée par l’instrument « Fast Imaging Plasma Spectrometer (FIPS) » embarqué sur le satellite MESSENGER. Les modèles précédents de la distribution de la densité des ions planétaires dans la magnétosphère de Mercure ont prédits des densités pour les ions Na+ entre un à 3 ordres de grandeur différant de celles mesurées par FIPS. Cette thèse de doctorat décrit l’application d’un nouveau modèle numérique pour décrire les ions planétaires autour de Mercure, le Latmos IoniZed Exosphere Model (LIZE). LIZE est couplée à un modèle de l’exosphère (Exospheric Global Model; EGM) et un modèle magnétosphérique hybride (Latmos Hybrid Simulation; LatHyS). J’ai tout d’abord utilisé LIZE pour décrire la distribution des densités des ions Na+, O+ et He+ telle que mesurée par FIPS entre le 23 mars 2011 et le 30 avril 205. Nous avons pris en compte le champ de vue et la couverture en énergie de FIPS et avons simulé la fonction de distribution des vitesses. Ensuite, nous avons démontré que la réponse des espèces planétaires ioniques à un événement radiatif solaire intense était non-linéaire en fonction des espèces ioniques, de l’énergie, de la position dans la magnétosphère et de la position de la source de l’événement solaire à la surface du Soleil par rapport à Mercure. Le modèle LIZE permet une analyse originale des données FIPS et fournira des informations importantes sur le contexte des mesures qui vont être faites par la sonde BepiColombo.

The Hermean environment contains heavy ions which have their origin in Mercury's collision-less atmosphere (exosphere). The spatial distribution of the most abundant ion species has been characterized by the Fast Imaging Plasma Spectrometer (FIPS) on the MESSENGER spacecraft. Previous models of the planetary ion density distribution in Mercury's magnetosphere produce Na+ densities which differ by 1-3 orders of magnitude from the FIPS observations. This thesis describes the application of a new ion density model, the Latmos IoniZed Exosphere model (LIZE). LIZE is coupled to a model of the exosphere (the Exospheric Global Model; EGM) and a hybrid magnetosphere model (Latmos Hybrid Simulation; LatHyS). I first use the LIZE model to reproduce the Na+-group, O+-group and He+ ion density distribution observed by FIPS between 23 March 2011 to 30 April 2015. We account for the FIPS field-of-view and energy range, and also simulate the 3-D ion phase space density distribution. I then use the time-dependent LIZE model to study the response of planetary ion species to a strong solar flare event. We demonstrate that the response of the planetary ion population in Mercury's magnetosphere to the flare is non-linear with respect to species, energy, location inside the magnetosphere and the location of the flare source region with respect to Mercury. The LIZE model offers a new capability for the analysis of FIPS data and will provide needed context to the ion measurements which will be made during the BepiColombo mission, which will be made from two different positions in space and by instruments with different spatial, temporal and energy coverage.