Contribution to the study of energy inputs of solar origin in the ionosphere: Doubly-charged ions and proton kinetic transport - Application to the Earth and Titan
Contribution à l'étude des entrées d'énergie solaire dans l'ionosphère : Ions doublement chargés et transport cinétique des protons - Application à la Terre et à Titan
Résumé
This PhD project consists in the modelling of planetary ionospheres such as those of the Earth and Titan through high-energy transport processes occurring on the dayside and on the nightside at auroral latitudes. The modelling of the doubly-charged ions N2++, O2++ and O++ created through photoionisation constitutes the first step of this work. The results are compared to the few atmospheric O++ data available on Earth, for which a very good agreement has been found, leading to the first prediction of molecular dications in the Earth's and Titan's ionospheres. In a second step, as a dynamical coupling and an updating of different kinetic codes, a consistent kinetic/fluid proto-electron numerical model called TRANS4 has been built, which makes it a unique tool to get a precise diagnostics of combined proton and electron impacts in the ionosphere. Perspectives are numerous, and one privileged track is to port the whole model to other planetary atmospheres, such as Mars, Venus or Titan, a will that coincides with the exciting success of Mars Express, Venus Express and Cassini-Huygens planetary missions. A fruitful collaboration with the Physico-Chemistry Laboratory (LCP, Orsay, France) as well as with the University of Oslo and the University Centre in Svalbard (UNIS, Norway) was successfully led throughout the building of this work.
Ce travail de thèse porte sur la modélisation des ionosphères planétaires comme celle de la Terre et de Titan à travers les processus de transport cinétique des électrons et des protons. La modélisation des ions doublement chargés N2++, O2++ et O++ créés par photoionisation a constitué la première étape de ce travail. Les résultats de la simulation sont comparés avec succès aux seules données disponibles sur Terre pour O++. De cette validation expérimentale, nous prédisons ainsi la présence d'ions moléculaires doublement chargés dans l'ionosphère de la Terre et de Titan. Dans un deuxième temps, nous détaillons la genèse du modèle d'ionosphère TRANS4, à travers le couplage et l'optimisation de différents codes de transport cinétique et fluide capables de modéliser simultanément les précipitations d'électrons et de protons. Ce modèle constitue un outil unique et cohérent de diagnostic de l'impact combiné des protons et des électrons sur l'ionosphère en permettant notamment le calcul des profils de raies Balmer de l'hydrogène. La comparaison aux données a permis ensuite une approche quantitative du comportement de l'ionosphère soumis à un événement actif proton-électrons, sous le triple angle des données radar, satellite et optique. Les perspectives sont nombreuses et le portage du code dans d'autres ionosphères telles Titan, Mars ou Vénus est une voie de recherche privilégiée, qui coïncide avec les mesures en direct des sondes Cassini, Mars Express et Vénus Express. Une collaboration étroite avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, Orsay) ainsi qu'avec les universités d'Oslo et de Svalbard (UNIS) a été menée tout au long de ce travail.