Modélisation de l'interaction du plasma jovien avec l'environnement d'Europe - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2023

Modeling the jovian plasma interaction with Europa

Modélisation de l'interaction du plasma jovien avec l'environnement d'Europe

Abstract

Europe, one of Jupiter's four Galilean moons, is subject of recent interest from the scientific community due to its potential to host favorable habitable conditions. The presence of a subsurface salty liquid water ocean has been confirmed through the analysis of Galileo probe observations, combined with numerical simulations. Additionally, observations from the Hubble Space Telescope and a reanalysis of Galileo probe data, compared to numerical simulations, have strengthened the hypothesis of the existence of water vapor plumes. Passing through these plumes could provide insights into the composition of the underground ocean.Exploring the Galilean moons is one of the primary objectives of the ESA's JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) mission. In preparation for future observations, modeling efforts have been undertaken to characterize the system jovian magnetosphere-Europa. To characterize the interaction between the jovian plasma, the magnetic field, and Europa's atmosphere, I used the LatHyS (LATMOS Hybrid Simulation) model. LatHyS is a 3D, multi-species, parallel hybrid simulation model that combines a kinetic description of ions with a fluid description of electrons. This simulation model allows us to represent the dynamics and structure of the ionized environment surrounding the moon.My work focused on developing Europa's environment within LatHyS, with a particular emphasis on the atmosphere and ionosphere. Models of the interaction between Europa and Jupiter's plasma traditionally describe the atmosphere empirically and with an analytical model. However, I implemented a description based on a 3D planetary exosphere model called EGM to characterize Europa's atmosphere. By coupling EGM with LatHyS, we can account for various major neutral species, incorporate asymmetries, and obtain an ionosphere that is closer to reality. In parallel, I developed a simulation optimization method to reduce the size of the simulation environment, which reduces runtime. Subsequently, I conducted multiple simulations comparing various neutral and ionospheric conditions (from empirical to fully modeled) with Galileo observations to study the system's response to these variations. I also analyzed the plasma's response to a theoretical environment during the two planned flybys of Europa by JUICE. Finally, I worked on a program that calculates the propagation of a radio wave in a magnetic environment. This preliminary work aims to integrate the environment simulated by the LatHyS model into this ray tracing code to study the propagation of radio waves emitted by Jupiter during an occultation observed by JUICE.
Europe, l'un des quatre satellites galiléens de Jupiter, fait l'objet d'une attention particulière de la communauté scientifique car il est susceptible d'abriter des conditions d'habitabilité favorables. La présence d'un océan d'eau liquide salée en sous-surface a été mise en évidence par l'analyse des observations de la sonde Galileo, combinée à des simulations numériques. Par ailleurs, des observations du télescope spatial Hubble et la réanalyse de données de la sonde Galileo, comparées à des simulations numériques ont renforcé l'hypothèse de la présence de panaches de vapeur d'eau. Traverser ces dernières pourrait permettre de comprendre la composition de l'océan sous-terrain.L'exploration des lunes galiléennes constitue l'un des principaux objectifs de la mission JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) de l'ESA. En préparation des futures observations, un effort de modélisation a été entrepris pour caractériser le système magnétosphère de Jupiter-Europe. Pour caractériser l'interaction entre le plasma jovien, le champ magnétique et l'atmosphère d'Europe, j'ai utilisé le modèle LatHyS (LATMOS Hybrid Simulation). LatHyS est un modèle de simulation hybride 3D, multi-espèces et parallèle qui combine une description cinétique des ions avec une description fluide des électrons. Ce modèle de simulation nous permet de représenter la dynamique et la structure de l'environnement ionisé dans lequel baigne la lune.Mon travail a consisté à développer l'environnement d'Europe au sein de LatHyS. L'atmosphère et l'ionosphère en ont notamment été un aspect central. Les modèles d'interactions Europe-plasma jovien décrivent l'atmosphère de manière empirique et avec un modèle analytique. Cependant, j'ai mis en place une description issue d'un modèle d'exosphère planétaire 3D, appelé EGM, pour caractériser l'atmosphère d'Europe. En couplant EGM avec LatHyS, nous pouvons prendre en compte diverses espèces neutres majoritaires, intégrer des asymétries et obtenir une ionosphère plus proche de la réalité. En parallèle, j'ai développé une méthode d'optimisation qui permet de réduire la taille de l'environnement de la simulation, ce qui permet de réduire le temps d'exécution. Par la suite, j'ai réalisé de multiples simulations comparant diverses conditions neutres et ionosphériques (d'empirique à entièrement modélisées) avec des observations de Galileo afin d'étudier la réponse du système lors de ces variations. Puis j'ai analysé la réponse du plasma à un environnement théorique pendant les deux survols prévus d'Europe par JUICE. Pour finir, j'ai travaillé sur un programme qui calcule la propagation d'une onde radio dans un environnement magnétique. C'est un travail préliminaire qui a pour but d'intégrer l'environnement simulé par le modèle LatHyS dans ce code de tracé de rayon afin d'étudier la propagation des ondes radio émises par Jupiter lors d'une occultation observée par la sonde JUICE.
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tel-04472349 , version 1 (22-02-2024)

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  • HAL Id : tel-04472349 , version 1

Cite

Claire Baskevitch. Modélisation de l'interaction du plasma jovien avec l'environnement d'Europe. Planétologie et astrophysique de la terre [astro-ph.EP]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASP143⟩. ⟨tel-04472349⟩
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