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Tsareva, Olga. Variabilité temporelle du champ magnétique terrestre et son influence sur l'environnement spatial proche

Tsareva, Olga (2020). Variabilité temporelle du champ magnétique terrestre et son influence sur l'environnement spatial proche.

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Résumé en francais

Le champ magnétique terrestre connaît une forte variabilité temporelle avec des périodes caractéristiques aussi courtes que la dizaine de secondes (sous-orages magnétosphériques responsables du déclenchement des aurores polaires) et aussi longues que le million d'années (inversions de la polarité nord-sud). Ses variations temporelles, bien que d'origine et de caractéristiques très différentes, affectent la dynamique de l'environnement spatial proche de la Terre : précipitation de particules dans la haute atmosphère, modification des flux de particules cosmiques, échappement atmosphérique. La première partie de cette thèse est dédiée au développement d'une nouvelle théorie cinétique des instabilités dans la queue magnétosphérique qui pourrait expliquer l'origine des sous-orages. En partant d'une théorie connue des instabilités de dérive liées à la présence d'un gradient de pression dans la queue magnétosphérique, le modèle proposé dans cette these inclut le mouvement de rebond des électrons piégés dans le champ géomagnétique qui peuvent entrer en résonance avec les modes de dérive (drift-Alfvén instability) si le gradient de densité dans la queue devient important. La prise en compte de ce mouvement de rebond augmente significativement le taux de croissance de cette instabilité universelle. Pour tenter de valider ce nouveau modèle, un exemple d'observation aurorale par la mission THEMIS (3 février 2008) a été analysé. Cet événement a été choisi car il correspond à un arc auroral isolé observé à la fois par les caméras All-sky situées au sol et par les satellites THEMIS orbitant à 10 RE. Cette activation aurorale semble bien avoir été déclenchée par une soudaine compression de la queue magnétosphérique vers 10 RE augmentant sensiblement le gradient de pression et provoquant des fluctuations importantes du champ magnétique. Les ordres de grandeur de la période et du taux de croissance de ces oscillations sont compatibles avec les courbes de dispersion déduites du modèle théorique. La deuxième partie de la thèse étudie l'influence du renversement des polarités du champ magnétique sur l'environnement radiatif de la Terre. En particulier, nous avons calculé les variations du flux de protons cosmiques lors d'une inversion géomagnétique pour déduire les doses de rayonnement auxquelles la population humaine et les astronautes pourraient être exposés. Le fond de rayonnement devrait augmenter d'un facteur d'environ trois pendant la période minimale solaire, et les régions de rayonnement élevées devraient être redistribuées et leurs zones augmenteraient apparemment en raison de la diminution du champ dipolaire, ces doses de rayonnement ne sont pas dangereuses pour les humains et autres créatures vivantes. Dans le même temps, pour les astronautes à bord de l'ISS en orbite à 400 km au-dessus du sol, pendant une période d'inversion, une augmentation du rayonnement de 14 fois peut être dangereuse. Sans aucun doute, dans ce cas, une correction des orbites des véhicules spatiaux serait nécessaire. La théorie classique de Stormer a été généralisée au cas d'une superposition axisymétrique de champs dipolaires et quadripolaires. Nous avons identifié les régions autorisées et interdites de mouvement des particules, ainsi que les régions de capture, qui assurent l'existence stable des ceintures de rayonnement. Un rôle clé dans la protection de la vie terrestre contre les radiations appartient à l'atmosphère. Par conséquent, nous avons considéré les mécanismes de base de l'accélération des particules atmosphériques et estimé les taux d'échappement des ions ionosphériques (H+ et O+ ). Selon nos estimations, les taux de fuite des particules atmosphériques lors de l'inversion du champ géomagnétique augmenteront de 2,5 fois, ce qui ne modifiera pas considérablement la densité de l'atmosphère.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Louarn, Philippe
Malova, Helmi
Fruit, Gabriel
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), UMR 5277
Mots-clés libres :Instabilités plasmatiques - Sous-orages - Inversion géomagnétique - Évasion atmosphérique - Théorie de Störmer
Sujets :Sciences de l'univers
Déposé le :04 Feb 2021 11:10