Prise en compte du temps local dans la modélisation des ceintures de radiation terrestres - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Taking into account magnetic local time variability in the modelling of the Earth radiation belts.

Prise en compte du temps local dans la modélisation des ceintures de radiation terrestres

Résumé

Since the beginning of the Space Era with the launch of Spoutnik 1 spacecraft in 1957, the radiation belts have been studied by scientists due to their hazardousness on both spacecrafts and humans. Indeed, particles are injected during strong solar activity and can induce fluxes thousand times higher than quiet time ones. Thus, it’s very important to understand the nature of physics-based processes and the consecutive dynamic during a geomagnetic storm. For this purpose, the Department Physics Instrumentation Environment and spacE (DPhIEE) at ONERA has been developing the Salammbô models family for more than 20 years which robustly reproduce in three dimensions the dynamics of trapped particles in the radiation belts. Nevertheless, although they are reliable at high energy, the physics-based processes and the hypothesis taken into account are inadequate at lower energies, below a few hundreds of keV. Indeed, the radiation belts can no longer be considered as homogeneous around the Earth. The aim of this PhD research work was to take into account a fourth coordinate, the Magnetic Local Time (MLT), in order to better reproduce the thinnest structures occurring during a geomagnetic storm. The first part of this work focused on the optimization of the numerical scheme. By the emergence of an advective term, the inclusion of a fourth coordinate induces a strong numerical di˙usion that has to be controlled and limited without deteriorating the computing eÿciency. So, the implemented statistical equation was discretized using a Beam-Warming scheme coupled with the Superbee limiter, which guarantee us an adequate propagation of the initial distribution. Once numerical issues have been resolved and controlled, all the di˙erent mechanisms driving the dynamics of the trapped particles have been implemented into the code, taking into account their MLT dependency, especially for the wave-particle interaction. Taking into account the magnetospheric electric fields was also necessary. Indeed, they correspond to one of the main drivers of the low energy particles motion. Then, the Salammbô 4D model has been validated by a comparison with the 3D one on a simulation of the March 2015 geomagnetic storm. The results showed a good restitution of the dynamics of the radiation belts, refining the storm main phase resolution. Thereafter, this event has been simulated at lower energy to analyze the asymmetry of the dynamics of trapped electrons highlighting the prime role of the convection electric field. The comparison with data from THEMIS spacecraft showed a good modeling of the di˙erent physics-based processes, in particular regarding dropouts as controlled by magnetopause shadowing effect. Finally, the implementation of a solar wind driven outer boundary condition opens up new prospects.
Depuis le début de l’ère spatiale avec le lancement du satellite Spoutnik 1 en 1957, les ceintures de radiation terrestres n’ont cessé de faire l’objet d’études du fait de leur dangerosité pour les satellites mais aussi pour l’être humain. En effet, lors d’une forte activité solaire, l’injection de particules dans cet environnement radiatif peut induire des flux jusqu’à 1000 fois plus élevés que par temps calme. Par conséquent, il est important d’en comprendre la physique ainsi que la dynamique au cours de ce que l’on appelle un orage géomagnétique. Dans ce but, le Département Physique Instrumentation Environnement Espace (DPhIEE) de l’ONERA développe depuis maintenant plus de 20 ans la famille de modèles Salammbô reproduisant de façon robuste et en trois dimensions la dynamique des particules piégées dans ces ceintures. Néanmoins, bien que précis au-delà d’environ 100 keV, la physique et les hypothèses prises en compte dans ce modèle restent insuffisantes en deçà. En effet, aux basses énergies, les ceintures de radiation ne peuvent plus être considérées comme homogènes autour de la Terre. L'objectif de cette thèse a donc été de prendre en compte une quatrième dimension, le temps magnétique local (MLT), afin de mieux reproduire l'évolution des structures fines lors d'un orage géomagnétique. La première partie a porté sur l’optimisation du schéma numérique. L’ajout d’une quatrième dimension induit, via l’apparition d’un terme d’advection, une forte diffusion numérique qu’il convient de limiter, tout en tenant compte du temps de calcul. L’équation statistique implémentée a alors été discrétisée selon un schéma de type Beam-Warming du second ordre couplé à un limiteur Superbee, garantissant une propagation satisfaisante de la distribution initiale. Une fois les problèmes numériques maitrisés, les différents mécanismes physiques pilotant la dynamique des particules piégées ont été implémentés dans le code, avec une attention toute particulière sur la dépendance en MLT de l’interaction onde-particule. La prise en compte des champs électriques magnétosphériques fut également nécessaire. En effet, ils constituent l'un des moteurs principaux du mouvement des particules de basses énergies. Le modèle Salammbô 4D a ensuite été validé par comparaison avec le modèle 3D déjà existant sur une simulation de l’orage magnétique de mars 2015. Les résultats ont montré une bonne restitution de la dynamique des ceintures de radiation, avec en plus l’accès à la phase principale de l’orage. Cet évènement a ensuite été modélisé à plus basse énergie pour constater la dynamique asymétrique des électrons piégés avec le rôle prépondérant du champ électrique de convection. La comparaison avec les données du satellite THEMIS a montré une bonne modélisation des différents processus physiques, notamment celui de « dropout » par traversée de la magnétopause. Enfin, la mise en place d’une condition limite dynamique modulée par les paramètres du vent solaire et dépendante du MLT ouvre de nombreuses perspectives.
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tel-01701311 , version 1 (05-02-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01701311 , version 1

Citer

Damien Herrera. Prise en compte du temps local dans la modélisation des ceintures de radiation terrestres. Physique de l'espace [physics.space-ph]. INSTITUT SUPERIEUR DE L’AERONAUTIQUE ET DE L’ESPACE (ISAE); UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01701311⟩

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