Étude et modélisation du transport de plasma dans la

Étude et modélisation du transport de plasma
dans la magnétosphère interne
Le nombre croissant de charges utiles mises à poste dans l’espace et l’utilisation de systèmes
électroniques embarqués de pointe nécessitent une rigoureuse connaissance de
l’environnement spatial de notre planète en vue des choix technologiques à poser. Afin de
mieux connaître l’environnement radiatif, une étude du transport de plasma dans la région
interne de la magnétosphère terrestre est proposée ici, sachant que ce sont ces particules
énergétiques qui vont venir peupler les ceintures de radiation. Dans le cadre de la modélisation,
on s’intéresse à la source du plasma, son transport et les pertes de particules rencontrées au
cours de ce dernier. Une étude paramétrique comparative de modèles de champs magnétique
et électrique est ainsi menée, dévoilant l’influence capitale du champ électrique sur la
dynamique des particules. Le même type d’étude est entrepris avec des modèles de la densité
d’hydrogène dans l’exosphère, qui permettront par la suite d’estimer la perte de protons par
échange de charge au cours de leur transport. Ces résultats ont motivé une étude plus
approfondie du champ électrique sur la base des mesures proton et électron des détecteurs
MEPED des satellites NOAA POES, en montrant la pénétration de particules à très faibles
valeurs de L lors d’orages géomagnétiques. L’étude d’événements particuliers à différents
niveaux d’activité magnétique et la simulation du phénomène permettent d’arriver à une
caractérisation du champ électrique de convection dans la magnétosphère interne.
Mots-clefs : magnétosphère, plasma, champ électrique, champ magnétique, exosphère,
mesures satellite, orages géomagnétiques
Plasma transport study and modelling
in the inner magnetosphere
The increasing number of payloads launched in space and the current use of sophisticated
embedded systems need a strong knowledge of our space environment so that we make the
appropriate technological choices. In order to understand better the radiative space, plasma
transport in the inner region of the Earth’s magnetosphere is studied, given the fact that the
radiation belts are composed of these energetic particles. From the modeling point of view, we
focus on the plasma source, transport and loss. A parametric study on the magnetic and
electric field model comparison is undertaken, highlighting the key role of the electric field on
particle dynamics. The same kind of analysis is done with hydrogen density models for the
exosphere, which then bring the opportunity to assess proton losses occurred by charge
exchange during their transport. These results have justified a deeper study about the electric
field, on the basis of proton and electron flux measurements from MEPED detectors on board
NOAA POES satellites, showing particle penetration at very low L-shells during geomagnetic
storms. A specific storm case analysis at various magnetic activity levels and a simulation of
the phenomenon lead us to a convection electric field characterization in the inner
magnetosphere.
Keywords : magnetosphere, plasma, electric field, magnetic field, exosphere, payload data
analysis, magnetic storms
Angélique WOELFFLÉ - Étude et modélisation du transport de plasma dans la magnétosphère interne
THÈSE
En vue de l'obtention du
D
DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E
Délivré par l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace
Spécialité : Astrophysique, sciences de l’espace, planétologie
Présentée et soutenue par Angélique WOELFFLÉ
le 9 novembre 2010
Étude et modélisation du transport de plasma
dans la magnétosphère interne
JURY
M. Henri Rème, président
M. Daniel Boscher, directeur de thèse
M. Iannis Dandouras
M. Dominique Delcourt, rapporteur
M. Thierry Dudok De Wit, rapporteur
M. Dominique Fontaine, rapporteur
École doctorale : Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace
Unité de recherche : Équipe d’accueil ISAE-ONERA PSI
Directeur de thèse : M. Daniel Boscher

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« La joie de contempler et de comprendre, voilà le langage que me porte la nature. »
Albert Einstein

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Remerciements
A mon sens, l’Espace reflète { merveille la vaste magnificence de la Nature. C’est donc avec
un profond bonheur que j’ai pu entreprendre les travaux de recherche relatifs { mon sujet de
thèse durant ces trois dernières années. Chercher, c’est { la fois s’enthousiasmer de ce que
l’on trouve et persévérer dans les nouvelles limites permanentes qu’offre l’avancée de son
travail.
Une thèse est un projet qui s’articule autour de différents acteurs et la réussite finale tient {
chacun de ceux qui y ont participé. C’est la raison pour laquelle je souhaite adresser mes
sincères remerciements à :
- Tout particulièrement, Daniel. Avoir un bon directeur de thèse est un atout précieux pour
un doctorant. J’ai eu le privilège d’être encadrée par quelqu’un dont les qualités
pédagogiques ne font aucun doute. J’ai apprécié de bénéficier du juste équilibre entre le fait
d’être formée et de pouvoir travailler également de façon autonome. Je te remercie, Daniel,
pour la disponibilité dont tu as fait preuve et le partage de ton expérience toujours très
enrichissant. Je suis heureuse d’avoir pu travailler ces trois années { tes côtés.
- A Iannis Dandouras, mon co-encadrant au CESR. Je te remercie énormément de m’avoir
suivie tout au long de ces trois années avec une égale bonne humeur, un accueil chaleureux
et une disponibilité constante. J’ai aimé pouvoir travailler en interaction avec toi, j’ai appris
beaucoup de choses à ton contact et je te remercie du temps que tu y as consacré. Je suis
ravie que ma thèse ait été l’occasion d’un échange humain et fructueux { l’occasion de nos
discussions avec Daniel. Merci encore Iannis !
- A la population d’électrons libres ou liés du DESP ! Sans vous, je n’aurai pu savourer ces
années de recherche sur le plasma dans la magnétosphère. Je vous remercie de la confiance
que vous m’avez témoignée en me recevant parmi vous et de l’accueil que vous m’avez
réservé. Outre le cadre de travail agréable auquel chacun contribue par sa présence, je suis
heureuse que le département ait en plus été le lieu de la rencontre de personnes fines et
humaines.
Plus spécialement pour les membres de l’équipe MEM, Angélica, Daniel, Didier, Sébastien
et Vincent : merci de m’avoir intégrée dans votre équipe, de votre écoute et de vos réponses
sur mes interrogations scientifiques ou plus matérielles. J’ai apprécié de travailler dans votre
équipe, certes modeste en taille mais riche de qualités !
Un merci particulier à Christine pour sa présence, ses qualités humaines et son aptitude à
gérer les questions pragmatiques.
Je tiens par ailleurs { remercier l’ONERA qui aura financé ma thèse et aura de ce fait rendu
possible l’aboutissement de ce projet.

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- Dans un cadre plus large, je souhaite aussi remercier l’ISAE qui aura également
accompagné cette thèse, et plus particulièrement encore Dominique Delcourt, Thierry
Dudok de Wit et Dominique Fontaine qui auront eu la mission d’étudier ce mémoire : je les
remercie sincèrement de leur intérêt pour ce travail, de leurs suggestions de correction et
d’amélioration du manuscrit. Je tiens aussi à remercier Henri Rème pour avoir montré
également un intérêt pour ce sujet de thèse et accepté de faire partie du jury.
Enfin, je souhaite faire mes remerciements, et non les moindres, { ma famille de cœur
terrestre -et céleste- qui m’aura courageusement soutenue dans mon projet, au quotidien et
initialement en me donnant la chance de pouvoir étudier, et qui m’aura comprise dans mes
aspirations. Je ne vous remercierai jamais assez de votre amour, -et il est bien réciproque !- :
G. W. F. Hegel disait que « Rien de grand ne s'est accompli dans le monde sans passion », je
crois de façon plus profonde encore que l’Amour est le moteur de la Vie et rien ne saurait
être plus grand. Un remerciement tout particulier donc à mon entourage de contribuer ainsi
{ me faire avancer…