Dynamique des enveloppes terrestres

La Terre est un objet complexe, dont la présence d’un champ magnétique et d’une atmosphère dense permet d’avoir accès à un laboratoire in-situ d’une rare richesse pour comprendre aussi bien les mécanismes physiques fondamentaux que les propriétés dynamiques de notre environnement spatial, et dont les signatures les plus connues du grand public sont les aurores polaires. La Terre est ainsi l’objet le mieux étudié du système solaire, de par la grande variété d’instruments sol et spatiaux qui surveillent son environnement en continu depuis ces 50 dernières années. 

Observations multipoints: Cluster, THEMIS et MMS

La magnétosphère terrestre sert ainsi de laboratoire pour l’étude détaillée de nombreux processus plasma fondamentaux ayant des applications vastes en astrophysique: physique des frontières et discontinuités, instabilités explosives et reconfigurations magnétiques, mécanismes de transport, chauffage et accélération, et la génération de diverses radiations. Les quatre satellites de la mission Cluster, lancée en 2000 et toujours en opération, a permis une révolution dans ce domaine de recherche. Les observations multipoints provenant de cette mission phare ont été la base d’une grande partie des activités du groupe PEPS au cours de ces 15 dernières années. Cluster a démontré l’importance de la nature tri-dimensionnelle des processus fondamentaux dans les plasmas. Seule une vision 3D basée sur l’analyse de données multi-instruments et multi-satellites permet l’approche quantitative qui est nécessaire à une réelle compréhension de ces processus clés.

Ces thématiques ont encore évolué avec THEMIS (NASA, lancée en 2007), une mission à cinq satellites dédiée à l’étude des processus de libération explosive de l’énergie magnétique accumulée dans le queue magnétosphérique (sous-orages, liés aux aurores). Le groupe participe maintenant de manière très active à la mission MMS de la NASA (Magnetospheric MultiScale, http://mms.gsfc.nasa.gov/), pour laquelle nous avons fournis et étalloné l’ensemble des 32 paires de détecteurs à micro-canaux pour les instruments de mesure des ions (faisant partie du consortium FPI). MMS a été lancée avec succès le 12 Mars 2015 à 22:44 (cf. https://www.irap.omp.eu/en/actualites/actu-mms). Les quatre satellites de la mission MMS sont dédiés à l’analyse du processus de reconnexion magnétique aux petites échelles (électronique) grâce à une distance inter-satellites jusqu’à seulement 10 km et une instrumentation embarquée ayant une très haute résolution temporelle.

MMS: Earth’s magnetosphere as a laboratory to study the microphysics of magnetic reconnection ((c) NASA) Le groupe PEPS est PI des instruments de mesure des ions (CIS: Cluster Ion Spectrometry; http://cluster.irap.omp.eu/) à bord des satellites Cluster, ainsi que de HIA (Hot Ion Instrument) sur le satellite Double-Star (ESA-Chine). PEPS est également co-Investigateur sur les missions THEMIS and MMS de la NASA. Dans le cadre du programme Cosmic Vision de l’ESA, le groupe est impliqué dans les propositions de mission Alfvén, THOR and NITRO (Classe M4).

Magnétosphère interne et couplages ionosphère-thermosphère-atmosphère

Le groupe PEPS est PI de l’instrument de mesure des électrons de haute énergie à bord du satellite Demeter (micro-satellite du CNES). Demeter était un satellite en orbite basse qui a été en opération de Juin 2004 à Décembre 2010. Il a produit des observations remarquables pour l’étude de la dynamique des ceintures de radiation de la Terre, montrant entre autres l’existence d’effets anthropologiques sur leur dynamique. Associées aux données des instruments sol, tels que les radars EISCAT et SuperDARN sondant l’ionosphère aurorale et aux simulations ionosphériques (modèles TRANSCAR, IMM et IPIM), toutes les missions spatiales précitées permettent de mieux comprendre les chaînes de processus depuis les régions les plus externes de la magnétosphère (magnétopause, cornet polaire, queue magnétosphérique) jusqu’aux phénomènes de dissipation dans l’ionosphère et l’atmosphère.

Un chapitre passionnant s’ouvre également avec la découverte, il y a moins de vingt ans de phénomènes lumineux transitoires, appelés TLEs (Transient Luminous Events), résultant du couplage de l’atmosphère avec l’ionosphère et la magnétosphère lors d’épisodes orageux. Ces TLEs sont aussi associés à des flashs gamma et X extrêmement énergétiques, appelés TGFs (Terrestrial Gamma Flashes) et à des accélérations d’électrons qui peuvent considérablement modifier les couches externes de l’environnement terrestre. Dans l’équipe PEPS, ces mécanismes ont commencé à être étudiés par des simulations du transport des électrons relativistes et des rayons gamma générés par les TGFs. Ces travaux prennent actuellement de l’ampleur avec la forte implication de l’équipe dans l’instrumentation du satellite Taranis (lancement 2017), mission CNES dédiée à ces problématiques, et à fort potentiel de découvertes. Le groupe PEPS est en charge du développement des instruments X et électron (haute énergie) de Taranis.

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Vue d’artiste du satellite TARANIS et des phénomènes de la haute atmosphère appelés sprites et elfs.

Modélisation et outils d’analyse de données

En parallèle de réalisations instrumentales, le groupe PEPS est très actif dans le développements d’outils d’analyse de données pour la communauté, à travers le Centre de Données de la Physique des Plasmas ( CDPP). Depuis plus de 10 ans le CDPP développe l’outil AMDA, permettant des analyses poussées et automatiques sur de grandes quantités de données et pour de très nombreuses missions spatiales. Le CDPP a évolué d’un concept original de simple base/service de données vers des activités d’observatoire virtuel avec la mise en place à la fois d’outils (AMDA, Propagation Tool, etc.) et de services permettant une interopérabilité (dans le cadre de projets européens, e.g., FP7). Du point de vue de la théorie et de la modélisation, les activités du groupe se portent sur les processus principaux suivant: (1) l’accélération et la dissipation dans les milieux très magnétisés (plasma β faible), tels que dans les régions polaires des magnétosphères ou la couronne solaire et (2) les instabilités des couches de courant et le processus de reconnexion magnétique. Notre groupe a une forte expertise en recherche théorique autour des solutions exactes des équations cinétiques, et des problèmes de physique de la turbulence qui en découlent. Avec le projet TARANIS en ligne de mire, le groupe se porte également vers les problèmes de couplage entre particules (MeV), radiations (gamma) et chocs.

Enfin, la compréhension de l’ensemble de la chaîne des processus depuis la surface du Soleil jusqu’à l’atmosphère de la Terre est de première importance dans le cadre de la Météorologie de l’Espace. Cette discipline émergente a pour vocation finale de prédire les phénomènes extrêmes à la surface du Soleil (éruptions solaires, éjections de masse coronale, trous coronaux) qui peuvent engendrer des perturbations importantes de l’environnement spatial terrestre que l’on désigne sous le terme générique d’orage magnétique. Les conséquences de ces orages peuvent être très importantes : perturbations des communications radio et GPS, décharges électrostatiques sur les satellites, freinage des satellites, courants induits provoquant des surchauffes dans les réseaux électriques terrestres… L’équipe PEPS possède de nombreux atouts pour étudier l’ensemble de la chaîne de ces processus. En particulier, les modèles de propagation du vent solaire, de magnétosphère et d’ionosphère dans le groupe permettent d’envisager de suivre en continu et en temps réel l’environnement spatial proche.

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