The Magnetopause : a quasi-tangential interface between the magnetosphere and the magnetosheath
La magnetopause, interface quasi-tangentielle entre magnétosphère et magnetogaine
Résumé
This thesis aims to study the Earth's magnetopause, defined as the boundary between the Earth's magnetosphere and the solar wind. Although considered in first approximation as a clear barrier between the two plasmas, the reality is more complex, as the solar wind plasma and the magnetosphere plasma mix with each other in the magnetopause in ways not yet fully understood. One example of this interaction is magnetic reconnection, which creates a flow of mass and magnetic field between the two media.In this thesis, we focus on regions of the magnetopause away from areas of magnetic reconnection. In these regions, which make up most of the structure, the magnetopause often takes on a one-dimensional, stationary structure and is generally modeled as a discontinuity through the Classic Theory of Discontinuities (CTD). However, in situ data from recent space missions show how this theory does not adequately describe the magnetopause. In fact, at the magnetopause, both a rotation of the magnetic field in the plane tangent to the structure and compressive characteristics are observed. In order to describe these properties simultaneously, the magnetopause is described in CTD as a tangential discontinuity. However, this classification is a singularity in the theory that requires the normal component of the magnetic field to the structure to be zero. Instead, we observe from the data that this component is small but not zero, emphasizing the need to introduce a "quasi-tangential" description in order to describe the magnetopause.In this thesis, therefore, the CTD is used as a starting point, exploiting its limitations in describing the magnetopause, in order to determine which terms are relevant in its equilibrium. To this end, we use in situ measurements from the Magnetospheric Multiscale Mission (MMS, NASA). The first part of the work aimed to develop an instrument, called GF2, that estimates the direction of the normal to the magnetopause more accurately than current instruments. Indeed, accurate estimation of the normal is of fundamental importance in order to determine which experimentally relevant terms are not included in the classical theory. This instrument was tested both on the MMS mission data, analyzing in detail a December 28, 2015 magnetopause crossing, and through a numerical simulation obtained through the hybrid-PIC code Menura, demonstrating good skill in determining the normal.The same magnetopause crossing of MMS was also used to study the magnetopause equilibrium in detail. In particular, taking advantage of the normal obtained through the previously developed instrument, we show that the divergence of the pressure tensor plays a key role in this equilibrium, unlike the assumption in CTD. Specifically, we show that the effects of finite Larmor radius (FLR) play an important role in the quasi-tangential discontinuity when the Larmor radius of the ions is not completely negligible with respect to the thickness of the magnetopause. To generalize the result, a similar statistical study was also conducted on a database of MMS magnetopause crossings, which confirmed that these results are common in the magnetopause. Finally, one part of the project focused on Mercury's magnetosphere, deviating slightly from the main objective of this thesis. In this analysis, full-kinetic simulations were used in order to analyze the generation of whistler waves in the reconnection region in the magnetotail. In this study, the small size of Mercury's magnetosphere compared with that of Earth is exploited in order to learn new insights about Earth's magnetosphere.
Cette thèse vise à étudier la magnétopause terrestre, définie comme la limite entre la magnétosphère terrestre et le vent solaire. Bien que considérée en première approximation comme une barrière nette entre les deux plasmas, la réalité est plus complexe, car le plasma du vent solaire et celui de la magnétosphère se mélangent dans la magnétopause d'une manière qui n'est pas encore totalement comprise. Un exemple de cette interaction est la reconnexion magnétique, qui crée un flux de masse et un champ magnétique entre les deux milieux. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les régions de la magnétopause éloignées des zones de reconnexion magnétique. Dans ces régions, qui constituent la majorité de la structure, la magnétopause prend souvent une structure unidimensionnelle et stationnaire et est généralement modélisée comme une discontinuité par la Théorie Classique des discontinuités (CTD). Cependant, des données in situ provenant de missions spatiales récentes montrent que cette théorie ne décrit pas correctement la magnétopause. En effet, à la magnétopause, on observe à la fois une rotation du champ magnétique dans le plan tangent à la structure et des caractéristiques de compression. Afin de décrire ces propriétés simultanément, la magnétopause est décrite dans le CTD comme une discontinuité tangentielle. Cependant, cette classification est une singularité dans la théorie qui exige que la composante normale du champ magnétique à la structure soit nulle. Au lieu de cela, nous observons à partir des données que cette composante est faible mais non nulle, ce qui souligne la nécessité d'introduire une description “ quasi-tangentielle ” pour décrire la magnétopause. Dans cette thèse, le CTD est donc utilisé comme point de départ, en exploitant ses limites dans la description de la magnétopause, afin de déterminer quels termes sont pertinents dans son équilibre. À cette fin, nous utilisons des mesures in situ de la Magnetospheric Multiscale Mission (MMS, NASA). La première partie du travail visait à développer un instrument, appelé GF2, qui estime la direction de la normale à la magnétopause avec plus de précision que les instruments actuels. Une estimation précise de la normale est en effet d'une importance fondamentale pour déterminer quels termes expérimentalement pertinents ne sont pas inclus dans la théorie classique. Cet instrument a été testé à la fois sur les données de la mission MMS, analysant en détail une traversée de la magnétopause le 28 décembre 2015, et à travers une simulation numérique obtenue au moyen du code hybride-PIC Menura, démontrant une bonne compétence dans la détermination de la normale. La même traversée de la magnétopause de MMS a également été utilisée pour étudier en détail l'équilibre de la magnétopause. En particulier, en exploitant la normale obtenue grâce à l'instrument précédemment développé, nous avons montré que la divergence du tenseur de pression joue un rôle clé dans cet équilibre, contrairement à l'hypothèse du CTD. Plus précisément, nous montrons que les effets du rayon de Larmor fini (FLR) jouent un rôle important dans la discontinuité quasi-tangentielle, lorsque le rayon de Larmor des ions n'est pas complètement négligeable par rapport à l'épaisseur de la magnétopause. Pour généraliser ce résultat, une étude statistique similaire a également été menée sur une base de données de traversées de magnétopause MMS, qui a confirmé que ces résultats sont communs dans la magnétopause. Enfin, une partie du projet s'est concentrée sur la magnétosphère de Mercure, s'écartant légèrement de l'objectif principal de cette thèse. Dans cette analyse, des simulations cinétiques complètes ont été utilisées afin d'analyser la génération d'ondes de sifflement dans la région de reconnexion de la queue magnétique. Dans cette étude, la petite taille de la magnétosphère de Mercure comparée à celle de la Terre est exploitée afin d'obtenir de nouvelles informations sur la magnétosphère de la Terre.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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