LOW-FREQUENCY WAVES AND INSTABILITIES IN GYROTROPIC PLASMAS.
ONDES ET INSTABILITÉS BASSE-FRÉQUENCE DANS UN PLASMA GYROTROPE. APPLICATION À L'INSTABILITÉ D'INTERCHANGE DANS LES MAGNÉTOSPHERES DES PLANETES GÉANTES
Résumé
Fast rotating magnetospheres like those of Jupiter and Saturn contain numerous plasma sources deeply embedded within the magnetospheric system. The plasma created locally in the vicinity of these sources is observed in all regions of the magnetosphere, these observations implying the necessity of a radial transport throughout the system. The present thesis deals with the theoretical investigation of a mecanism responsible for this transport, the interchange instability, a Rayleigh-Taylor type instability in which the centrifugal force plays the role of gravity.
In order to take into account the physical nature of magnetospheric plasmas, collisionless, an exact linear formalism to study waves and instabilities in gyrotropic plasmas has been developped. This formalism enables us to consider both non-electromagnetic forces (gravitationnal, centrifugal and Coriolis forces), the stratification of the medium (gradients and curvature) and to include some kinetic effects (Landau resonance).
In a first step, this formalism is validated in the case of homogeneous plasmas, before to be applied to stratified plasmas. The quasi-interchange modes, the modes for which stratification and rotation have a significant impact, are identified in terms of Alfvén, slow and mirror modes, according to the classical terminology prevalent in homogeneous plasmas. The instability criteria of the different quasi-interchange modes are obtained analytically and tested in the case of the multi-species plasma torus of the jovian satellite Io by using the most recent available data sets describing this environment.
Deferring future applications to the spatial environment of Saturn for the arrival of the Cassini spacecraft at the planet, its Jupiter flyby in December 2000 - Janvier 2001 is briefly presented. The analysis of the magnetometer data obtained during this flyby identifies signatures of the mirror mode in the distant jovian magnetosheath, this mode having been previously identified in our theoretical formalism.
In order to take into account the physical nature of magnetospheric plasmas, collisionless, an exact linear formalism to study waves and instabilities in gyrotropic plasmas has been developped. This formalism enables us to consider both non-electromagnetic forces (gravitationnal, centrifugal and Coriolis forces), the stratification of the medium (gradients and curvature) and to include some kinetic effects (Landau resonance).
In a first step, this formalism is validated in the case of homogeneous plasmas, before to be applied to stratified plasmas. The quasi-interchange modes, the modes for which stratification and rotation have a significant impact, are identified in terms of Alfvén, slow and mirror modes, according to the classical terminology prevalent in homogeneous plasmas. The instability criteria of the different quasi-interchange modes are obtained analytically and tested in the case of the multi-species plasma torus of the jovian satellite Io by using the most recent available data sets describing this environment.
Deferring future applications to the spatial environment of Saturn for the arrival of the Cassini spacecraft at the planet, its Jupiter flyby in December 2000 - Janvier 2001 is briefly presented. The analysis of the magnetometer data obtained during this flyby identifies signatures of the mirror mode in the distant jovian magnetosheath, this mode having been previously identified in our theoretical formalism.
Les magnétosphères en rotation rapide des planètes géantes (Jupiter, Saturne) contiennent de nombreuses sources de plasma situées très à l'intérieur du système magnétosphérique. Le plasma créé localement au voisinage de ces sources est cependant observé dans toutes les régions de ces magnétosphères, mettant en évidence la nécessité d'un mécanisme de transport radial du plasma à travers le système. Cette thèse s'intéresse à l'étude théorique de l'instabilité d'interchange, une instabilité de type Rayleigh-Taylor dans laquelle les forces centrifuges jouent le rôle de la gravité, et généralement invoquée pour expliquer le transport radial à l'oeuvre dans les magnétosphères de Jupiter et de Saturne.
Afin de prendre en compte la nature des plasmas magnétosphériques, peu collisionnels, un formalisme exact d'étude linéaire des ondes et instabilités basse-fréquence dans les plasmas gyrotropes a été développé. Ce formalisme permet notamment de considérer les effets des forces non-électromagnétiques (force de gravitation, centrifuge et de Coriolis), les paramètres de la stratification (gradients et courbure) et certains effects cinétiques (résonance Landau).
Ce formalisme est dans un premier temps validé dans le cas des plasmas homogènes, avant d'être appliqué au cas des plasmas stratifiés. Les modes les plus influencés par la stratification du milieu, dénommés modes de quasi-interchange, y sont identifiés en termes de mode d'Alfvén, mode magnétosonore lent et mode miroir, suivant la terminologie classique en milieu homogène. Les critères d'instabilité des différents modes de quasi-interchange sont entièrement obtenus de manière analytique et sont appliqués au cas du plasma multi-espèces présent dans le tore de plasma du satellite Io de Jupiter, tel que décrit à travers les observations des sondes Voyager et Galileo.
Enfin, en attendant les observations de la mission Cassini en 2004 pour appliquer ces résultats dans l'environnement spatial de Saturne, son survol de Jupiter en décembre 2000 - janvier 2001 est présenté brièvement. L'analyse des données champ magnétique obtenues lors de ce survol nous permet de mettre en évidence profondément dans la magnétogaine jovienne des signatures observationnelles du mode miroir, identifié auparavant à l'aide de notre formalisme théorique.
Afin de prendre en compte la nature des plasmas magnétosphériques, peu collisionnels, un formalisme exact d'étude linéaire des ondes et instabilités basse-fréquence dans les plasmas gyrotropes a été développé. Ce formalisme permet notamment de considérer les effets des forces non-électromagnétiques (force de gravitation, centrifuge et de Coriolis), les paramètres de la stratification (gradients et courbure) et certains effects cinétiques (résonance Landau).
Ce formalisme est dans un premier temps validé dans le cas des plasmas homogènes, avant d'être appliqué au cas des plasmas stratifiés. Les modes les plus influencés par la stratification du milieu, dénommés modes de quasi-interchange, y sont identifiés en termes de mode d'Alfvén, mode magnétosonore lent et mode miroir, suivant la terminologie classique en milieu homogène. Les critères d'instabilité des différents modes de quasi-interchange sont entièrement obtenus de manière analytique et sont appliqués au cas du plasma multi-espèces présent dans le tore de plasma du satellite Io de Jupiter, tel que décrit à travers les observations des sondes Voyager et Galileo.
Enfin, en attendant les observations de la mission Cassini en 2004 pour appliquer ces résultats dans l'environnement spatial de Saturne, son survol de Jupiter en décembre 2000 - janvier 2001 est présenté brièvement. L'analyse des données champ magnétique obtenues lors de ce survol nous permet de mettre en évidence profondément dans la magnétogaine jovienne des signatures observationnelles du mode miroir, identifié auparavant à l'aide de notre formalisme théorique.