Boundary layers in plasmas : structure and stability of the Terrestrial magnetopause
Etude des couches frontières dans les plasmas : Structure et stabilité de la magnétopause terrestre
Résumé
The terrestrial magnetopause is the boundary between the solar wind (compressed by a shock) and the terrestrial magnetosphere. This kind of thin and nearly impenetrable boundary naturally forms each time two magnetized plasmas are pushed one toward another. It happens here, like for several astrophysical situations, in a collisionless medium. For these reasons, the terrestrial magnetopause, accessible experimentally with a lot of satellite missions, is representative of a very general type of interfaces. Key phenomena like plasma transport across the boundary, heating and acceleration of charged particles or magnetic reconnection, take place at these interfaces. Therefore, studying and deeply understanding such kind of boundary is critical to understand the fundamental plasma physics.
The terrestrial magnetopause is the boundary between two plasmas of different densities and temperatures. The magnetic fields of the magnetosphere and the solar wind have also different directions and intensities. The transition observed at the magnetopause therefore concerns matter, with two interpenetrating plasmas, and fields. How do these different kinds of variations combine and what structure does it give to the boundary? These are
the questions we study in this work. The simplest case, when the boundary can be considered locally as a plane and is stationary, will be the basis of the study, but we will also show how a boundary shaken by instabilities and magnetic reconnection can deviate from these simple models.
In the first part of the thesis, we show an experimental study of the magnetopause using the data from the European Cluster mission. We show how to combine magnetic and ion data to obtain a characterization of the normal direction to the boundary and a coordinate along this normal, and validate
this new tool. Then, we show that when the normal magnetic field is nonzero, the boundary can be a succession of small layers bearing separately the rotational and compressional variations. We give clues on the good way to study these in detail.
In the second part of the thesis, we develop a theoretical model of the structure as a 1D-stationay equilibrium of a current layer like the magnetopause.
This equilibrium is a kinetical one, that means it is valid for the distribution function, and not only its first moments like density, fluid velocity, and pressure. This is necessary in a collisionless medium as soon as the characteristic scale of the particle motion, particularly the Larmor radius, is not negligible with respect to the thickness of the layer. Such kinds of equilibria are necessary to initialize the numerical simulations that are used to study the magnetopause
and the instabilities that can happen at the boundary like the tearing instability (which implies reconnection).
Finally, we present a new tool for building Fourier spectra and phases for space plasmas turbulence studies.
La magnétopause terrestre est la frontière entre le vent solaire (comprimé par une onde de choc) et la magnétosphère de la Terre. Ce type de frontière fine et quasiment étanche se forme naturellement chaque fois que deux plasmas magnétisés se trouvent projetés l’un vers l’autre. Il se produit, dans ce cas comme dans beaucoup d’autres situations astrophysiques, dans un milieu sans collisions. À ce titre, la magnétopause terrestre, qui est accessible à de nombreuses mesures satellitaires in-situ, est exemplaire d’un type très général d’interfaces. Des phénomènes clefs, comme le transport du plasma à travers la frontière, le chauffage et l’accélération des particules chargées ou la reconnexion magnétique, ont lieu à ces interfaces. L’étude et la compréhension détaillées de telles frontières est donc critique pour comprendre la physique fondamentale des plasmas.
La magnétopause sépare deux régions de densités et de températures différentes. De plus, le champ magnétique de la magnétosphère et celui porté par le vent solaire n’ont ni la même direction ni la même intensité. On observe donc à la magnétopause une transition qui concerne à la fois la matière, avec deux plasmas qui s’interpénètrent, et les champs. Comment se combinent ces différents types de variations et quelle structure cela donne-t-il à la frontière ? Ce
sont les questions que nous étudions dans ce manuscrit. Le cas le plus simple, où la frontière peut être considérée comme localement plane et stationnaire, sera la base de l’étude, mais on montrera aussi dans quelle mesure une frontière agitée par des instabilités et la reconnexion magnétique peut s’écarter de ces modèles les plus simples.
Dans la première partie de la thèse, nous effectuons une étude expérimentale de la magnétopause, en utilisant les données de la mission européenne Cluster. Nous montrons comment on peut combiner données magnétiques et ioniques pour obtenir une caractérisation de la normale à la frontière et une coordonnée le long de cette normale, et nous validons ce nouvel outil. Ensuite nous montrons que, lorsque le champ magnétique normal est non nul, la frontière peut former une succession de sous-couches portant séparément les variations de type rotationnelles et compressionnelles. Nous donnons des pistes sur la manière appropriée de les étudier en détail.
Dans la seconde partie de la thèse, nous développons un modèle théorique de structure d’équilibre 1-D stationnaire d’une couche de courant de type magnétopause. Cet équilibre est de type "cinétique", ce qui signifie qu’il est valable au niveau de la fonction de distribution et pas seulement au niveau de ses premiers moments, densité, vitesse fluide et pression. Ceci est nécessaire dans un milieu sans collisions dès que les échelles caractéristiques du mouvement des particules, en particulier le rayon de Larmor, ne sont pas tout à fait négligeables vis-à-vis de l’épaisseur de la couche. Un tel équilibre est nécessaire pour initialiser les simulations numériques qui permettent de décrire de manière réaliste une frontière comme la magnétopause et d’étudier le développement d’instabilités telles que l’instabilité de déchirement (qui implique un phénomène de reconnexion).
Enfin, nous présentons un nouvel outil pour la construction des spectres et des phases de Fourier dans le cadre des études de turbulence dans les plasmas spatiaux.
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