Doctorante: Marie Devinat
Directeurs: Nicolas André (ISAE-Supaero, IRAP), Michel Blanc (IRAP, Shandong University)
Début de thèse: 2023
Groupe thématique: PEPS
Date de soutenance: 28 septembre 2026, 14h
Rapporteur.ice.s: Licia Ray (Lancaster University), Matteo Faganello (Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires)
Examinateur.ice.s: Vincent Génot (IRAP), Solène Lejosne (DGA Paris), Nicholas Achilleos (University College London)
Lieu de soutenance: Salle Coriolis, OMP, Toulouse
Résumé
Jupiter et Saturne possèdent de puissants champs magnétiques qui interagissent avec le flux supersonique de plasma s’échappant du Soleil (le vent solaire) et y créent de vastes cavités magnétiques, des magnétosphères. Ces cavités abritent des disques circumplanétaires issus de l’activité volcanique des lunes internes (Io, à 6 rayons joviens de Jupiter, et Encelade, à 4 rayons kroniens de Saturne). Les tores neutres créés par ces lunes donnent naissance, après ionisation, à des tores internes mixtes neutre-plasma. Le couplage entre particules chargées et champ magnétique des planètes entraîne le plasma en co-rotation à une période d’environ 10 h, plus courte que la période orbitale keplérienne à ces distances. Le plasma est donc continuellement entraîné vers l’extérieur par la force centrifuge et forme un magnétodisque sur des dizaines de rayons kroniens et des centaines de rayons joviens dans le plan équatorial. Les deux disques se caractérisent par un faible couplage gaz/plasma et un fort couplage entre le plasma magnétosphérique et le champ magnétique.
Dans les régions internes, le transport est régi par une instabilité de type Rayleigh-Taylor, nommée « instabilité d’interchange », dans laquelle un tube de flux intérieur rempli de plasma et un tube extérieur vide échangent leurs places sous l’action de la force centrifuge. Des tubes de flux vidés de plasma ont été observés dans les magnétosphères et interprétés comme un résultat de cette instabilité. Bien que largement documentés à Saturne, l’étude de leurs propriétés plasma manque encore autour de Jupiter du fait des diagnostics plasma limités de la sonde Galileo. En m’appuyant sur les observations haute résolution de la mission Juno, je présente une première étude des propriétés plasma des tubes vides dans la magnétosphère jovienne, confirme leur similitude avec les mêmes tubes à Saturnes et en déduit la distance parcourue par les tubes observés.
Je développe ensuite un premier formalisme pour décrire le transport intégrés de masse, d’énergie et de moment angulaire induit par l’instabilités d’interchange dans le cas axisymétrique. Le système est divisé entre la thermosphère/ionosphère, un milieu partiellement ionisé où la dynamique est régie par les collisions entre les neutres et les ions et par le couplage entre les ions et le champ magnétique, et la magnétosphère, un milieu presque entièrement ionisé où plasma et champ magnétique sont fortement couplés. Ces deux régions sont couplées au travers de la région à haute latitude, où les particules sont accélérées le long des lignes de champ. Grâce à un traitement quasi-linéaire des lois fondamentales, je combine les descriptions antérieures du transport de masse, d’énergie, de moment angulaire. Mon formalisme tient compte des sources de plasma au sein du disque, du couplage partiel avec la haute atmosphère, de la distribution verticale finie du disque et des variations temporelles lentes du système. Il se limite aux régions internes, où le disque est quasi-axisymétrique et où le couplage le long des lignes de champ est instantané.
En plus de ce transport, plusieurs éléments indiquent la présence d’un champ électrique à grande échelle dans les magnétosphères géantes, qui entraînerait un cycle de plasma rappelant la convection terrestre. Sur la base de la description théorique détaillée précédemment, je modélise la pénétration d’un champ électrique externe au sein du système jovien. Les modèles théoriques développés à la Terre sont appliqués au cas jovien en y ajoutant une contribution liée à la rotation rapide du système. Mon modèle reproduit qualitativement les estimations du champ électrique convectif dans la magnétosphère jovienne. Davantage de contraintes observationnelles sont cependant nécessaires pour mieux évaluer la validité de notre modèle et étudier la nature de la source de champ électrique. Elles pourraient provenir de la mesure des courants alignés ou des dérives équatoriales du plasma.