Interprétation des données satellites et sols pour la météorologie de l'espace, pour le monitoring des particules de basses énergies en zone aurorale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Interpretation of satellites and ground-based data for the monitoring of low energies particles in auroral region in the frame of space weather.

Interprétation des données satellites et sols pour la météorologie de l'espace, pour le monitoring des particules de basses énergies en zone aurorale

Résumé

Space weather is a field of space physics studying interactions between the different components of Sun-Earth chain including, among other things, the interplanetary medium and the Earth’s magnetosphere. These interactions are dynamic, complex and are the subject of many research projects with the goal of a obtaining a deeper understanding of the Sun-Earth chain. In this context, electron precipitation is characteristic of the relationship between the magnetosphere and the upper atmosphere. The state of the circumterrestrial space is thus influenced by their deposition and their energies. One of the main gaps in the knowledge of these interactions, both in terms of data and modeling, is the monitoring of these low-energy electron precipitations (10 eV - 100 keV) in auroral zones. These auroral electrons are responsible for causing damage to satellites in Low Earth Orbit (LEO) through the mechanism of surface charging, which leads to electrostatic discharges (ESD) on components. Therefore, the study of these electrons fluxes allows a better understanding of surface charging. The importance of this understanding is heightened in the context of New Space, as an increasing number of vulnerable, private satellites are sent in LEO. Surveillance of space thus becomes crucial for maintaining the safety of space assets, particularly through programs such as the European Space Agency's SSA and S2P. In this thesis, we present an innovative method to reconstruct the characteristics of precipitated electrons in auroral regions from optical measurements, without the use of particle detectors that have limited accessibility to the altitudes where auroras are formed. We implement an optimization method between optical measurements and the Transsolo kinetic model. This model allows us to calculate the transport of suprathermal electrons along the magnetic field lines and to estimate the auroral emissions that result from their interactions with the upper atmosphere (Lummerzheim and Lilensten (1994), Lilensten and Blelly (2002)). The development of this optimization method required a thorough analysis of the emission lines associated with the energies of the precipitated electrons that we will detail. It also required the analysis of optical data from various instruments which will be outlined and compared according to their relevance in terms of data. The conclusions of these two analyses resulted in us testing our optimization method on tomographic maps recreated from the ALIS (Auroral Large Imaging Systemis Network) ground network. The ALIS data we focused on were the emission line of the nitrogen ion N2+ corresponding to the 1N(0,1) transition at 427. 8 nm (Gustavsson (2000)). Our results show that the study of the aurora borealis light emissions allows us to reconstruct the energetic specificities of precipitated electrons (i.e. mean energy, total flux and energy distribution) as well as the type of acceleration that they may have undergone in the magnetosphere. Moreover, we can recreate the energy deposition maps according to a given geographical area. Finally, we will develop the scientific objectives of the SATIS mission, for Satellites for Auroral Tomography in Space, which has interesting operational applications.
La météorologie de l'espace concerne l'étude des interactions entre les différents constituants de la chaîne Soleil-Terre, comprenant, entre autres, le milieu interplanétaire et la magnétosphère terrestre. Ces interactions sont dynamiques, complexes et font l'objet de nombreux projets de recherche œuvrant à une meilleure compréhension globale de la chaîne. Dans ce contexte, les précipitations d'électrons sont caractéristiques des relations entre la magnétosphère et la haute atmosphère. L'état de l'espace circumterrestre est donc influencé par leurs dépositions et leurs énergies. Une des principales lacunes dans la connaissance de ces interactions, tant au niveau des données que de la modélisation, est la surveillance de ces précipitations d'électrons de faibles énergies (10 eV - 100 keV) en zones aurorales. Ces électrons auroraux sont responsables de dommages causés aux satellites en orbite basse à travers le mécanisme de la charge de surface ou surface charging, qui entraîne des décharges électrostatiques (ESD) sur les composants. L'étude de ces flux d'électrons permet donc une meilleure compréhension du surface charging. Cette compréhension est d'autant plus nécessaire dans ce nouveau contexte du New Space où de plus en plus de satellites privés et vulnérables sont envoyés en orbite basse. La surveillance de l'espace devient donc cruciale pour maintenir la sécurité des engins spatiaux, notamment à travers les programmes SSA et S2P de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). Dans le cadre de ce travail de thèse, nous proposons une méthode innovante pour reconstruire les caractéristiques des électrons précipités en régions aurorales à partir de mesures optiques, en s'affranchissant de l'utilisation des détecteurs de particules qui ont difficilement accès aux altitudes de production des aurores. Nous présentons la mise en place d'une méthode d'optimisation entre des mesures optiques et le modèle cinétique Transsolo. Ce modèle permet de calculer le transport des électrons suprathermiques le long des lignes de champs géomagnétiques et d'estimer les émissions aurorales qui découlent de leurs interactions avec la haute atmosphère (Lummerzheim and Lilensten (1994), Lilensten and Blelly (2002)). Le développement de cette méthode d'optimisation a requis une analyse des raies d'émissions caractéristiques des énergies des électrons précipités que nous détaillerons. Il a également requis une analyse des données optiques de plusieurs instruments qui seront présentés et comparés en fonction de la pertinence de leurs données. Les conclusions de ces deux analyses nous ont amené à tester notre méthode d'optimisation sur des cartes tomographiques reconstituées à partir des données du réseau sol ALIS (Auroral Large Imaging Systemis Network). Les données ALIS sur lesquelles nous nous sommes concentrés concernent la raie d'émission de l'ion diazote N2+ correspondant à la transition 1N(0,1) à 427.8 nm (Gustavsson (2000)). Nos résultats montrent que l'étude des émissions lumineuses des aurores boréales permet de remonter aux caractéristiques énergétiques des électrons précipités (i.e énergie moyenne, flux total et distribution d'énergie) et également au type d'accélération qu'ils ont pu subir dans la magnétosphère. De plus, nous pouvons reconstituer les cartes de déposition d'énergie en fonction d'une zone géographique donnée. Enfin, nous développerons les objectifs scientifiques de la mission SATIS, pour Satellites for Auroral Tomography in Space, qui présente des applications opérationnelles intéressantes.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04187127 , version 1 (24-08-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04187127 , version 1

Citer

Elisa Robert. Interprétation des données satellites et sols pour la météorologie de l'espace, pour le monitoring des particules de basses énergies en zone aurorale. Astrophysique [astro-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALY029⟩. ⟨tel-04187127⟩
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