A study of particle acceleration in the auroral regions of planetary magnetospheres
Étude des phénomènes d'accélération de particules dans les régions aurorales des magnétosphères
Résumé
Particle acceleration is a topic of general astrophysical interest
which can be studied in a convenient natural laboratory: the Earth's
magnetosphere and, more widely, the magnetospheres of magnetised planets.
In particular, numerous physical processes occur in the auroral regions,
for example the northern and southern auroras, which are very
spectacular but rather imperfectly understood phenomena. Numerous
satellite measurements have shown the existence of highly energetic
populations of particles flowing towards the Earth, and this implies the
existence of a strong electric potential difference which most of the
proposed models fail to predict. Generally speaking, an understanding of
this acceleration is necessary to explain the dynamic coupling between
the magnetosphere, where the energy is released during substorms, and
ionosphere where the energy is dissipated. The study of the dissipation,
which takes place on short spatial and temporal scales, constitutes the
main theme of the present work. We consider as electromagnetic
perturbation an Alfvén wave propagating along the geomagnetic field
lines. Its interaction, in the auroral zones, with the highly
inhomogeneous structures known as plasma cavities, leads to the
formation of parallel electric fields able to accelerate particles, as
well as to a significant energy transfer from the waves to the
electrons. Finally, this study enables us to suggest a new scenario for
the formation of auroral arcs. This work was conducted both analytically
and numerically using a "particles in cell" code.
which can be studied in a convenient natural laboratory: the Earth's
magnetosphere and, more widely, the magnetospheres of magnetised planets.
In particular, numerous physical processes occur in the auroral regions,
for example the northern and southern auroras, which are very
spectacular but rather imperfectly understood phenomena. Numerous
satellite measurements have shown the existence of highly energetic
populations of particles flowing towards the Earth, and this implies the
existence of a strong electric potential difference which most of the
proposed models fail to predict. Generally speaking, an understanding of
this acceleration is necessary to explain the dynamic coupling between
the magnetosphere, where the energy is released during substorms, and
ionosphere where the energy is dissipated. The study of the dissipation,
which takes place on short spatial and temporal scales, constitutes the
main theme of the present work. We consider as electromagnetic
perturbation an Alfvén wave propagating along the geomagnetic field
lines. Its interaction, in the auroral zones, with the highly
inhomogeneous structures known as plasma cavities, leads to the
formation of parallel electric fields able to accelerate particles, as
well as to a significant energy transfer from the waves to the
electrons. Finally, this study enables us to suggest a new scenario for
the formation of auroral arcs. This work was conducted both analytically
and numerically using a "particles in cell" code.
L'accélération de particules est une thématique d'astrophysique générale qui
peut être étudiée dans un laboratoire naturel : les régions aurorales de la
Terre, et plus globalement, celles des planètes magnétisées. Ces régions sont
en effet le siège de nombreux processus qui donnent, entre autres, naissance
aux aurores boréales et australes, phénomènes spectaculaires mais dont de
nombreux aspects restent incompris. En particulier, de multiples mesures de
satellites ont montré l'existence de populations de particules énergétiques
précipitant vers la Terre, nécessitant le maintien d'une différence de
potentiel électrique élevée que la plupart des modèles proposés sont incapables
de reproduire. D'une manière générale, comprendre l'accélération, c'est
comprendre une partie du couplage dynamique entre la magnétosphère, où
l'énergie est libérée lors des sous-orages, et l'ionosphère où l'énergie est
dissipée. L'étude de cette dissipation, qui opère sur de courtes échelles
spatiales et temporelles, constitue le thème principal de ce travail. Dans
ce but, nous considérons une perturbation électromagnétique, sous forme d'onde
d'Alfvén, se propageant le long des lignes de champ magnétique. Son
interaction, en région aurorale, avec les cavités de plasma, structures
fortement inhomogènes, conduit à l'apparition de champs électriques parallèles
susceptibles d'accélérer les particules, ainsi qu'à un transfert d'énergie
significatif des ondes vers les électrons. Finalement, cette étude permet de
dégager un nouveau scénario de formation des arcs auroraux. Ce travail a été
mené de façon analytique avant d'être traité numériquement grâce à un code
particulaire.
peut être étudiée dans un laboratoire naturel : les régions aurorales de la
Terre, et plus globalement, celles des planètes magnétisées. Ces régions sont
en effet le siège de nombreux processus qui donnent, entre autres, naissance
aux aurores boréales et australes, phénomènes spectaculaires mais dont de
nombreux aspects restent incompris. En particulier, de multiples mesures de
satellites ont montré l'existence de populations de particules énergétiques
précipitant vers la Terre, nécessitant le maintien d'une différence de
potentiel électrique élevée que la plupart des modèles proposés sont incapables
de reproduire. D'une manière générale, comprendre l'accélération, c'est
comprendre une partie du couplage dynamique entre la magnétosphère, où
l'énergie est libérée lors des sous-orages, et l'ionosphère où l'énergie est
dissipée. L'étude de cette dissipation, qui opère sur de courtes échelles
spatiales et temporelles, constitue le thème principal de ce travail. Dans
ce but, nous considérons une perturbation électromagnétique, sous forme d'onde
d'Alfvén, se propageant le long des lignes de champ magnétique. Son
interaction, en région aurorale, avec les cavités de plasma, structures
fortement inhomogènes, conduit à l'apparition de champs électriques parallèles
susceptibles d'accélérer les particules, ainsi qu'à un transfert d'énergie
significatif des ondes vers les électrons. Finalement, cette étude permet de
dégager un nouveau scénario de formation des arcs auroraux. Ce travail a été
mené de façon analytique avant d'être traité numériquement grâce à un code
particulaire.
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