High-performance numerical modeling of sprite streamers : Development of optical and electromagnetic diagnostics to characterize transient luminous events for the TARANIS mission
Modélisation numérique haute-performance des streamers de sprites : développement de diagnostics optiques et électromagnétiques pour caractériser les événements lumineux transitoires pour la mission spatiale TARANIS
Résumé
Transient luminous events (TLEs) are brief and bright events occurring above thunderstorms. In the framework of this thesis, we are particularly interested in sprites. They are composed of plasma filaments called streamers that propagate through local ionization. Sprites occur following the establishment of an electrical connection between a thundercloud and the ground generating a sudden imbalance of electric charges between the cloud and the ionosphere. The induced electric field energizes the electrons present in the upper layers of the Earth's atmosphere and initiate streamers, generating ionization and radiative emission processes often perceived as reddish between 40 and 90km in altitude.Several space missions have adopted nadir-viewing observation strategies. However, this geometry leadsto a loss of the vertical resolution.In order to overcome this drawback, we propose to use a spectrophotometric technique to determine the altitude and the electric field associated with the sprites from their optical emissions.To this end, wehave developed a plasma fluid code modeling streamer discharges. The code consists in solving Poisson's equation toobtain the electrostatic field, the drift-diffusion equation for the motion of charged species, the three-group SP3 methodfor photoionization processes as well as ionization and electron attachment. To predict the light emissions that spritesproduce, we keep track of the production of excited electronic states of nitrogen molecules and ions.We also use Uman'santenna model to estimate radio emissions from sprite streamers. With this model, we investigate the applicability of amethod to determine the altitude and electric field of a streamer from spectrophotometric observations.A comparison between simulations and satellite observations show that this method can be used to exploit space-based observationsin nadir-viewing geometry.Limitations of the spectrophotometric method are investigated through the study of streamer propagation over several scale heights and the dependence of the exponential expansion characteristic rate on the sizeof the initial inhomogeneity. Additionally, we investigated radio signatures in the HF-VHF band during the head-oncollision between two streamers of opposite polarities. Neglecting ionospheric filtering we have shown that the TARANISIME-HF instrument would have been able to observe such emissions. Moreover, we show that the NenuFAR radiotelescope is also capable of making such observations from the ground.
Les événements lumineux transitoires (TLE) sont des d'événements brefs et lumineux se produisant au dessus des orages. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons particulièrement aux sprites. Ils sont composés de filaments de plasma appelés streamers qui se propagent par l'ionisation locale du milieu. Les sprites se produisent suite à l'établissement d'une connexion électrique entre le nuage d'orage et le sol générant un déséquilibre soudain des charges électriques entre le nuage et l'ionosphère. Le champ électrostatique ainsi induit augmente l'énergie des électrons présents dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre déclenchant l'apparition de streamers,lesquels générent des processus d'ionisation et d'émission radiative souvent perçus comme rougeâtres entre 40 et 90km d'altitude. Plusieurs missions spatiales ont adopté des stratégies d'observation au nadir. Cependant, cette géométrie entraîne une perte de la résolution verticale.Afin de surmonter cet inconvénient, nous proposons dans cette thèse, une méthode pour déterminer l'altitude et le champ électrique associés aux sprites à partir de leurs émissions optiques.Pourcela, nous avons développé un code plasma fluide modélisant les décharges de streamers. Le code résoud l'équation de Poisson pour obtenir le champ électrostatique, l'équation de dérive-diffusion pour le mouvement des espèces chargées,la méthode SP3 à trois groupes pour les processus de photoionisation ainsi que l'ionisation et l'attachement des électrons. Afin de prédire les émissions optiques que les sprites produisent, nous modélisons la production d'états électroniques excités du diazote et de son ion positif.Nous utilisons également le modèle d'antenne d'Uman pour estimerles émissions radio des streamers de sprites. Avec ce modèle, nous étudions l'applicabilité d'une méthode permettant de déterminer l'altitude et le champ électrique d'un streamer à partir d'observations spectrophotométriques. Une comparaison entre des simulations et des données satellitaires montrent que cette méthode peut être utilisée pour analyser les observations réalisées au nadir depuis l'espace. Les limitations de cette approche ont été étudiées au travers de la simulation de la propagation de streamers sur plusieurs hauteurs d'échelles et de l'influence du taux caractéristique d'expansion exponentielle en fonction de la taille de l'inhomogénéité initiale.De plus, nous avons étudié les signatures radio dans la bande HF-VHF lors de la collision frontale entre deux streamers de polarités opposées. En négligant le filtrage ionosphérique, nous avons montré que l'instrument TARANIS IME-HF aurait pu observer de telles émissions. De plus, nous montrons que le radiotélescope NenuFAR est également capable de faire de telles observations depuis le sol.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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