Le champ magnétique d’origine externe
Download
1 / 49

Le champ magnétique d’origine externe Aurélie Marchaudon LPC2E - PowerPoint PPT Presentation


  • 128 Views
  • Uploaded on

Le champ magnétique d’origine externe Aurélie Marchaudon LPC2E. Atelier FORSTERITE, Grenoble, 22/10/2010. Plan de la présentation. Rappels d’électromagnétisme Introduction à la magnétosphère La reconnexion dans la magnétosphère La dynamique du plasma magnétosphérique et ionosphérique

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Le champ magnétique d’origine externe Aurélie Marchaudon LPC2E' - ion


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Le champ magnétique d’origine externe

Aurélie Marchaudon

LPC2E

Atelier FORSTERITE, Grenoble, 22/10/2010


Plan de la présentation

  • Rappels d’électromagnétisme

  • Introduction à la magnétosphère

    • La reconnexion dans la magnétosphère

    • La dynamique du plasma magnétosphérique et ionosphérique

    • Les régions clés de la magnétosphère

    • Les principales sources de courants

  • Méthodes de calcul des courants à partir des mesures satellites

  • Présentation des différents courants de la magnétosphère, exemples de mesure et origine

    • Le courant de magnétopause

    • Le courant central de queue

    • Le courant annulaire

    • Les courants alignés au champ magnétique

    • Les courants ionosphériques : électrojets et courant Sq

  • Modèle empirique de champ magnétique externe



Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (1)

  • Champ magnétique constant

  • mouvement de giration des particules autour de l’axe du champ magnétique- sens opposé pour les électrons et les ions- mouvement hélicoïdal : si les particules ont une vitesse parallèle au champ magnétique

  • angle d’attaque de la particule :

    • avec a = 0° (v┴ = 0) et a = 90° (v║ = 0)

ion

a

B

  • Champ magnétique + champ électrique constants

  • mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire aux deux champs- les ions et les électrons dérivent dans la même direction- dérive en E x B- Exemple : mouvement des particules dans le champ de convection magnétosphérique


Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (2)

  • Champ magnétique avec un gradient spatial dans la direction perpendiculaire à l’axe du champ

  • - mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de son gradient- les ions et les électrons dérivent en sens opposé- dérive de gradient- Exemple : champ qui diminue quand on s’éloigne de la Terre

  • Champ magnétique présentant une courbure :

  • mouvement de giration des particules, avec une dérive dans la direction perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de courbure- les ions et les électrons dérivent en sens opposé- dérive de courbure- Exemple : ligne de champ terrestre dipolaire

Force centrifuge ressentie par une particule

Dans le cas d’un champ magnétique dipolaire : ces deux dernières dérives s’ajoutent pour former la dérive magnétique des particules


Rappels sur le mouvement des particules chargées dans un champ électromagnétique (3)

  • Champ magnétique présentant un gradient le long de son axe

  • conservation du moment magnétique d’une particule :

  • lorsque B augmente ou diminue le long de son axe, seul l’angle d’attaque de la particule peut varier pour assurer la conservation du moment magnétique

  • Cas d’un champ magnétique convergeant :

  • l’angle d’attaque de la particule augmente

  • sa vitesse perpendiculaire augmente au dépend de sa vitesse parallèle

  • au point miroir :B suffisamment intense pour que l’angle d’attaque de la particule atteigne 90° et que la particule soit réfléchie (du fait de la composante parallèle de la force de gradient de B)

Champ magnétique symétrique avec un minimum au centre et convergeant aux deux bouts (champ dipolaire) :

- une particule sera réfléchie aux deux points miroirs et sera donc piégée le long de la ligne de champ


En résumé : les particules subissent dans un champ magnétique dipolaire (cas de la Terre)

  • un mouvement hélicoïdal autour du champ B

  • un mouvement de réflexion entre les deux points miroirs d’une ligne de champ (gradient de B entre l’équateur et les pieds de la ligne)

  • un mouvement de dérive autour de la Terre (gradient de B en s’éloignant de la Terre et courbure de B), opposé pour les électrons (Est) et les ions (Ouest)


2. Introduction à la magnétosphère magnétique dipolaire (cas de la Terre)


La magnétosphère terrestre façonnée par le vent solaire magnétique dipolaire (cas de la Terre)


axe Sud-Nord magnétique dipolaire (cas de la Terre)

Z

O Terre

X

axe Terre-Soleil

Y

axe Matin-Soir

Les principaux repères de travail

Repère magnétique ionosphérique (latitude magnétique et temps magnétique local)

Repère global GSM (X,Y,Z) Géocentrique Solaire Magnétosphérique

Soleil

12MLT

06MLT

18MLT

70°

60°

00MLT

Plan xOz contient l’axe du dipôle magnétique terrestre

Vue du pôle nord magnétique depuis le dessus


Processus de reconnexion à la magnétopause : magnétique dipolaire (cas de la Terre)concepts de magnétosphère fermée et ouverte (1961)

  • Concept de magnétosphère fermée

  • Axford et Hines (1961) propose que la magnétosphère est presque totalement isolée du vent solaire

  • transfert de plasma et de quantité de mouvement par couplage visqueux, mais dynamique engendrée faible

  • Concept de magnétosphère ouverte

  • Dungey (1961) évoque la reconnexion magnétique entre lignes anti-parallèles de champ magnétique terrestre et interplanétaire

  • transfert aisé de plasma, d’énergie et de quantité de mouvement le long des lignes de champ depuis le vent solaire vers la magnétosphère

D’après Dungey, 1963


Mouvement des lignes de champ (3) reconnectées (ouvertes) dans la direction anti-solaire

Plan méridien

Reconnexion entre une ligne de champ interplanétaire (2) et une ligne de champ terrestre (1) fermée

Reconnexion inverse

Mouvement des lignes de champ terrestres fermées de la queue (1) dans la direction solaire

Projection dans l’ionosphère polaire

Plan équatorial

Soleil

Formation de 2 cellules de convection

Processus de reconnexion : convection à grande échelle du plasma dans la magnétosphère et l’ionosphère


Processus de reconnexion et convection à grande échelle du plasma dans la magnétosphère (2)

Plan méridien de la magnétosphère

Soleil


X plasma dans la magnétosphère (2)

Mantle

Polar Cusp

LLBL

X

Tail Plasma Sheet

X

Polar Cusp

X

Mantle

Processus de reconnexion : pénétration et accélération du plasma dans la magnétosphère et aurores dans l’ionosphère



La magnétosphère terrestre et ses régions clés vent solaire

Magnétosphère interne :- région de champ magnétique dipolaire à R < 6 RE- coexistence de 2 plasmas denses (n~10 cm-3) - un plasma froid : la plasmasphère : E~1 eV - un plasma chaud : les ceintures de radiation : E~qq keV-qq MeV

Feuillet central de plasma :- région de champ magnétique fermé à R > 6 RE- Plasma froid E~1-10 keV et ténu n~0.1-1 cm-3

Cornets polaires :- points nuls du champ magnétique- séparent les lignes de champ fermées côté jour et ouvertes côté nuit- région ouverte sur le milieu interplanétaire- E ~ qq keV (e-) à qq 10 keV (i) et n ~ qq 10 cm-3

Lobes : - région de champ ouvert côté nuit- plasma froid : E~ qq eV et très ténu : n < 0.1 cm-3

Régions frontières : densité intermédiaire et faisceaux structurés de particules- couche limite basse latitude (à l’intérieur de la magnétopause côté jour)- manteau (à l’intérieur de la magnétopause côté nuit)- couche limite du feuillet de plasma (séparant les lobes du feuillet central de plasma côté nuit)

Ionosphère : plasma dense, froid et partiellement ionisé (donc collisionnel) – 80 < alt < 3000 km


J vent solaire//-Region1

J//-Region2

Les différentes sources de courants magnétosphériques

Cross-Tail Current Sheet



y satellites

Nappe de courant

d bx

x

J//

d bx

A

vsc

Orbite du satellite

Détermination des courants alignés au champ magnétique à partir des mesures d’un satellite

A haute latitude (champ B vertical) et basse altitude : |vsc| >> |vsh|

Satellites Ørsted, Champ, FAST…

  • Soustraction du champ magnétique interne de la Terre : b = Bmesuré - Bmodèle

  • 2. Hypothèse : les courants sont distribués en nappe infinie et uniforme

  • 3. Direction de la nappe de courant donnée par l’orientation de b

  • 4. Intensité du courant parallèle

avec : vn = vsc sin A

  • 5. Limitation :

    • la méthode n’est pas valide, si l’orbite du satellite est parallèle à la nappe de courant


Détermination du courant à partir des mesures de 4 satellites en tétraèdre : méthode du curlomètre appliquée à Cluster

- Estimation directe de la densité de courant électrique à partir de rot(B)

- Utilisation des gradients spatiaux du champ magnétique à l’intérieur du tétraèdre formé par 4 satellites (d’après Dunlop et al., 2002)

SC4

1. Estimation du courant moyen normal à la face (1,3,4) du tétraèdre :

2. Les courants normaux à 3 faces sont re-projetés dans un système de coordonnées cartésien terrestre

J234

J134

SC3

J132

SC2

SC1

  • Hypothèse et condition d’utilisation :

  • variation du champ linéaire entre les satellites → J est constant à l’intérieur du tétraèdre

  • configuration du tétraèdre la plus régulière possible



Le courant de magnétopause ou courant de Chapman-Ferraro exemples de mesure et origine

  • - Courant circulant à l’interface entre le vent solaire et la magnétosphère (Jmp)

  • Direction et géométrie du courant :

  • Côté jour : vers l’Est, courant hémisphérique

  • Côté nuit : vers l’Ouest, courant cylindrique se fermant au centre de la queue (Jtail)

  • Entre les deux : circulation autour des points neutres (cornets polaires)

  • - Distances à la Terre :

  • Côté jour : ~10 RE

  • Côté nuit : ~15 RE aux terminateurs

  • ~ qq 100 RE dans la queue

  • - Courant total : ~107 A

  • - Effets à la surface de la Terre :

  • perturbation magnétique parallèle au champ magnétique terrestre et dirigé vers le Nord

  • augmente l’intensité du champ magnétique dans la magnétosphère et à la surface de la Terre côté jour

Vue 3D de la magnétopause(Soleil à gauche)


Mesure directe du courant de magnétopause avec Cluster exemples de mesure et origine

  • Traversée de magnétopause (magnétosphère -> vent solaire) : rotation et décroissance du champ magnétique

  • Calcul du courant de magnétopause par rot(B), grâce au tétraèdre de 4 satellites Cluster

  • -> Courant essentiellement dans la direction soir-matin (Jy < 0) et sous-structures dans les directions x et z

magnetopause

magnétosphère

magnétogaine

Cluster

Cluster

Y

Système de coordonnées GSM

D’après Haaland et al. (2004)


Génération du courant de magnétopause exemples de mesure et origine

Magnetosphere

B

  • Pour aller plus loin :

  • - Courant créé à l’interface entre 2 plasmas aux propriétés différentes : vent solaire (dense, faiblement magnétisé) et magnétosphère (ténu, fortement magnétisé)

  • En atteignant le champ magnétique terrestre, les ions et les électrons du vent solaire sont défléchis par la force de Lorentz

  • Ils parcourent un demi-rayon de giration dans des directions opposées et retournent dans le vent solaire

  • Une nappe de courant électrique circulant à la frontière entre les deux milieux se crée

  • Courant totalement développé : pression dynamique du vent solaire = pression magnétique à l’intérieur de la magnétosphère

  • Courant beaucoup plus complexe si la reconnexion a lieu sur la magnétopause

Emp

B

Jmp

Magnetopause

rgi

rge

B = 0

Electron path

Ion path

Wind

Solar


Le courant central de queue (cross-tail current sheet) exemples de mesure et origine

Vue depuis la Terre

  • Courant circulant à l’interface entre les deux lobes magnétosphériques de la queue (Jtail)

  • Région du feuillet de plasma central

  • Direction et géométrie du courant :

  • fine nappe circulant vers l’Ouest et divergeant sur la magnétopause vers le Nord et le Sud

  • - Distance à la Terre : >10 RE

  • Courant total : 2.105 A.RE-1,

  • Soit, 106 A porté par chaque portion de 5 RE de la queue (longueur : 150-200 RE)

  • - Effets à la surface de la Terre :

  • perturbation magnétique parallèle au champ magnétique terrestre et dirigé vers le Sud

  • diminue l’intensité du champ magnétique dans la magnétosphère et à la surface de la Terre

  • diminution beaucoup plus forte côté nuit : asymétrie de la perturbation magnétique engendré sur la surface

2 solénoïdes collés dans lesquels B est en sens opposé


Z exemples de mesure et origine

Y

X

Mesure directe du courant de queue avec Cluster

  • Traversées successives du courant de queue par Cluster : caractérisées par des inversions de la composante Bx du champ magnétique

  • Calcul du courant de queue par rot(B)(4 satellites Cluster en tétraèdre)

  • Courant essentiellement dans les directions y et z

  • -> oscillations de la nappe de courant qui se propagent depuis le centre de la queue vers les flancs (v ~ qq 10 km.s-1)

  • Ces oscillations se produisent aussi bien en périodes agitées qu’en périodes calmes

B

Cluster

B

D’après Sergeev et al. (2003)

Vue depuis la Terre


matin exemples de mesure et origine

Soleil

BTerre

Jring

Plan équatorial

soir

Le courant annulaire (ring current)

  • - Circule autour de la Terre, centré sur le plan équatorial

  • - Direction et géométrie du courant : vers l’Ouest et quasi-circulaire

  • - Distance moyenne à la Terre : 4 REdans la région des ceintures de radiations

  • - Courant total : 5.105 A (période calme)

  • >107 A (orage magnétique)

  • - Effets à la surface de la Terre :

  • perturbation magnétique quasi-constante parallèle à l’axe du champ magnétique, mais vers le sud

  • réduit l’intensité du champ magnétique à la surface de la Terre

  • plus le courant est intense, plus le champ à la surface diminue, c’est le cas lors des orages magnétiques

  • - La perturbation magnétique au centre de la Terre causée par le courant annulaire est directement proportionnelle à l’énergie totale de toutes les particules dérivantes


Dst exemples de mesure et origine

Caractérisation du courant annulaire par l’indice Dst

  • L’indice Dst mesure essentiellement les perturbations associées au courant annulaire (+ courants de magnétopause et de queue)

  • Définition de l’indice Dst :

  • à un instant t, Dst(t) est défini comme la moyenne de la variation des perturbations de la composante H de 4 observatoires magnétiques (ramenée à la position de l’équateur magnétique)

Variations de l’indice Dst lors d’un orage magnétique :

- Fortes décroissances liées à des intensifications du courant annulaire causée par l’injections de particules depuis la queue magnétosphérique

D’après Hanuise et al. (2006)


Mesure directe du courant annulaire avec Cluster exemples de mesure et origine

  • Plusieurs traversées successives du plan équatorial de la magnétosphère interne dans différents secteurs de temps local

  • Calcul du courant annulaire par rot(B) (4 satellites Cluster en tétraèdre)

  • Première mesure directe du courant annulaire

  • Courant de qq 10 nA/m2 et plus intense côté minuit que côté soir

Plan équatorial

D’après Vallat et al. (2005)


Génération du courant annulaire exemples de mesure et origine

  • Pour aller plus loin :

  • courant produit par la dérive vers l’Ouest des protons et la dérive vers l’Est des électrons, injectés depuis la queue

  • - les électrons ont une énergie plus faible et sont rapidement perdus dans l’atmosphère

  • -> le courant annulaire est donc essentiellement transporté par les protons

  • Décomposition du mouvement des ions dans un champ magnétique dipolaire :

  • 1. Giration autour du champ magnétique local

  • 2. Mouvement de rebond entre les deux points miroirs de la ligne de champ

  • 3. Dérive azimutale autour de la Terre

  • De part ces 3 mouvements, les ions occupent toutes les latitudes le long d’une ligne de champ et forment donc un tore de courant autour de la Terre

en bleu : trajectoire d’un unique ion


Génération du courant annulaire partiel exemples de mesure et origine

  • Pour aller encore plus loin :

  • Les ions en plus des 3 mouvements précédents, subissent une dérive vers le Soleil associée au champ électrique de convection dans la magnétosphère interne

  • Ce mouvement :

  • se retranche à la dérive des ions côté matin -> diminution du courant

  • s’ajoute à la dérive des ions côté soir -> intensification du courant

  • C’est le courant annulaire partiel côté soir

matin

BTerre

Soleil

Plan équatorial

Jring

soir

trajectoire des ions dans le plan équatorial


R1 exemples de mesure et origine

R2

Soleil

12 MLT

60

14

10

R2-descendant

70

R2-montant

16

8

18

6

R1-montant

R1-descendant

80

20

4

22

60

2

0

- descendant

- montant

Les courants alignés au champ magnétique (field-aligned currents)

  • Circulent le long du champ magnétique entre le plan équatorial de la magnétosphère et l’ionosphère

  • - 2 régions principales de courants appelées Région-2 et Région-1 (mécanismes de génération différents)

  • Direction et géométrie des courants :

  • les 2 régions forment 2 anneaux concentriques centrés sur chaque pôle magnétique

  • les courants sont opposés en signe entre les 2 régions, et de part et d’autre de l’axe midi-minuit

  • - Courant total : qq 106 A (fn de l’activité magnétique)

  • Effets à la surface de la Terre :

  • très faibles (car soient s’annulent entre eux, soient avec les courants ionosphériques)

Pôle nord vu depuis le dessus


y exemples de mesure et origine

Nappe de courant

d bx

x

J//

d bx

A

vsc

Orbite du satellite

Rappel : détermination des courants alignés au champ magnétique à partir des mesures d’un satellite

A haute latitude (champ B vertical) et basse altitude : |vsc| >> |vsh|

Satellites Ørsted, Champ, FAST…

  • Soustraction du champ magnétique interne de la Terre : b = Bmesuré - Bmodèle

  • 2. Hypothèse : les courants sont distribués en nappe infinie et uniforme

  • 3. Direction de la nappe de courant donnée par l’orientation de b

  • 4. Intensité du courant parallèle

avec : vn = vsc sin A

  • 5. Limitation :

    • la méthode n’est pas valide, si l’orbite du satellite est parallèle à la nappe de courant


Exemple de mesure directe des courants alignés avec CHAMP exemples de mesure et origine

Soleil

1200 MLT

Sat

R2

R1

R2

R1

R2

R1

R2

R1

  • A grande échelle :

  • Observation des principales grandes régions de courants parallèles (Région-1 et -2)

  • - Etude statistique pour étudier l’intensité et l’extension en latitude de ces régions, en fn de l’activité magnétique, du vent solaire…

  • A petite et moyenne échelle :

  • Existence de sous-structures plus ou moins fines (double nappe de courant, vortex…)

  • - Etude de ces structures pour déterminer leur origine dans la magnétosphère (reconnexion transitoire sur la magnétopause ou dans la queue magnétosphérique, instabilités…)

montant

descendant


Plan équatorial exemples de mesure et origine

Soleil

Couche limite basse latitude (LLBL)

Magnétopause

matin

+

soir

+

+

+

+

+

+

+

+

V

+

+

E

+

B

Lignes d’écoulement du plasma

V

B

B

E

E

E

B

V

V

Génération des courants alignés de Région-1

  • Pour aller plus loin :

  • Couche frontière (magnétopause) :

  • plasma transporté côté nuit par interaction visqueuse et reconnexion (entraînement du vent solaire)

  • force de Lorentz : électrons défléchis côté matin et ions côté soir

  • génération d’un champ électrique soir -> matin

  • Magnétosphère interne :

  • Ecoulement retour avec plasma transporté côté jour

  • force de Lorentz : électrons défléchis côté soir et ions côté matin

  • génération d’un champ électrique matin -> soir

  • Lignes de champ magnétique parfaitement conductrices : le champ électrique magnétosphérique se projette dans l’ionosphère

  • Le champ électrique génère un courant de Pedersen dans l’ionosphère (// à E). Par continuité du courant :

  • côté soir : convergence des champs électriques et un courant aligné montant depuis l’ionosphère

  • côté matin : divergence des champs électriques et un courant aligné descendant dans l’ionosphère


Génération des courants alignés de Région-2 exemples de mesure et origine

  • Pour aller plus loin :

  • Queue magnétosphérique :

  • champ électrique matin-soir, responsable de la convection solaire du plasma dans la queue et la magnétosphère interne

  • A la frontière queue/magnétosphère interne :

  • déformation de la frontière qui se rapproche de la Terre côté minuit et s’en éloigne sur les flancs

  • cette déformation génère un champ électrique de polarisation soir-matin

  • les 2 champs s’équilibrent à la frontière

  • Magnétosphère interne :

  • le champ électrique devient nul dans la magnétosphère interne

  • on parle d’écrantage de la magnétosphère interne (insensible à la convection)

  • le champ électrique étant nul à l’intérieur de la frontière mais pas à l’extérieur, une divergence du champ électrique se produit

  • génération de courants alignés au champ magnétique : - côté matin : montant depuis l’ionosphère

  • - côté soir : descendant dans l’ionosphère

Plan équatorial

Soleil

Frontière

Feuillet de plasma

E=0

Epol

Econv

J//


Magnétosphère exemples de mesure et origine

Soleil

1200 MLT

Soleil

1200 MLT

R1

J//

R2

J//

R1

J//

R2

J//

Jp

Jp

R1

R1

R2

R2

Ematin-soir

Soir

1800 MLT

Matin 0600 MLT

JH

Jp

JH

Ionosphère

Electrojet Est

Electrojet Ouest

Calotte polaire

Convection Antisolaire

Convection

Solaire

Convection

Solaire

Fermeture des courants alignés dans l’ionosphère

  • Convection ionosphérique :E = - V x B (matin -> soir dans la calotte polaire et soir -> matin dans les zones aurorales)

  • 2 types de courants ionosphériques générés par le milieu anisotrope (magnétisé) :

  • Les courants horizontaux de Pedersen JP (circulant parallèle au champ électrique de convection) qui ferment les courants alignés au champ magnétique dans la basse ionosphère

  • Les courants de Hall JH ou électrojets (circulant perpendiculairement au champ électrique de convection)


Distribution des courants ionosphériques de Hall ou DP-2 exemples de mesure et origine

  • Convection magnétosphérique engendre :

  • 2 cellules de convection ionosphérique

  • 2 cellules de courants ionosphériques de Hall circulant en sens inverse, appelées DP-2 (Polar Disturbance of Type 2)

  • - Le courant s’écoule de minuit vers midi (flèche jaune) dans la calotte polaire et s’écoule en sens inverse dans l’ovale auroral

  • - L’ovale auroral est le siège de précipitations de particules responsables de fortes conductivités

  • Le courant se concentre donc dans cette région et circule vers l’Ouest côté matin (flèche rouge) et vers l’Est côté soir (flèche bleue)

  • Ce sont les électrojets auroraux

  • - Perturbations à la surface de la Terre :

    • côté matin : perturbation négative

    • côté soir : perturbation positive

Courant équivalent ionosphérique

Soleil

Matin

Soir

D’après Clauer et Kamide (1985)


Mesure des courants ionosphériques de Hall à partir des magnétomètres au sol

  • Chaînes de magnétomètres au sol :

  • Détermination d’une ligne de base des données magnétomètres, (période magnétiquement calme proche de l’événement à étudier)

  • Perturbations magnétiques enregistrées correspondent au système de courant ionosphérique réel (à 3D)

  • Simplification : perturbations correspondent à des courants circulant dans un plan ionosphérique infiniment mince (alt. : 100 km)

  • Calcul de ces courants dans les zones aurorales et la calotte polaire. On parle de courants ionosphériques équivalents

  • Exemple présenté :

  • Courants supposés ne varier que dans la direction Nord-Sud (cas des électrojets)

  • Seule, la composante Est-Ouest des courants équivalents est calculée en fonction de la latitude et du temps

  • - Courants codés en couleur : jaune-rouge représente les courants vers l’Est et vert-bleu représente les courants vers l’Ouest


Génération des courants ionosphériques de Hall magnétomètres au sol

JH = n e (V+ - V-)

Pour aller plus loin :

- En présence de champs électrique E et magnétique B orthogonaux, les électrons et les ions dérivent dans la même direction perpendiculairement à E et B (dérive en E x B)

- Comme les ions entrent plus en collisions avec les atomes neutres, ils dérivent plus lentement que les électrons

- Par conséquent un courant net est généré dans la direction opposée à la vitesse de dérive. C’est le courant de Hall

JH

V-

N

V+

+

-

B

E

Plan de l’ ionosphère


Distribution des courants alignés du cornet polaire côté jour

  • générés par la reconnexion magnétique à la magnétopause sur la face avant (Bz < 0) ou dans les lobes (Bz > 0)

  • distribution et polarité variables : dépendant de l’orientation du champ magnétique interplanétaire et donc de la géométrie de la reconnexion sur la magnétopause

BZ < 0

BZ > 0

12

12

BY

< 0

< 0

BY

15

9

Soleil

15

9

NBZ

R1

R1

R0

18

6

6

18

85°

R2

R1

R1

R2

80°

75°

12

12

BY

> 0

> 0

BY

- descendant

9

9

15

15

- montant

18

6

6

18

85°

75°

80°

70°

Iijima et al., 1984

Magsat satellite

Erlandson et al., 1988

Viking satellite


Système de courants 3D lié aux sous-orages jour(Substorm Current Wedge)

  • En période de sous-orages magnétosphériques :

  • Queue magnétosphérique :

  • reconnexion magnétique dans la queue lointaine

  • disruption du courant central de queue près de la Terre

  • Le long du champ magnétique :

  • divergence du courant de queue en une paire de courant aligné au champ magnétique

  • Ionosphère :

  • intensification de l’électrojet auroral vers l’Ouest côté pré-minuit

  • système de courant ionospherique appelé DP-1 (Disturbance Polar of Type 1)

  • il se produit durant la phase d’expansion du sous-orage et dure environ 30 min

  • il cause une perturbation négative à la surface de la Terre

  • - Ce courant varie en fonction de l’intensité du sous-orage

Soleil

Courant équivalent ionosphérique


La dynamo ionosphérique ou courant Sq jour

  • Direction et géométrie du courant :

  • intense courant centré sur l’équateur magnétique

  • circule vers l’Est, côté jour

  • au terminateur soir, se divise en 2 vortex (sens des aiguilles d’une montre HS et sens inverse HN)

  • - Distance à la Terre : dans la couche E de l’ionosphère (90-120 km d’alt.)

  • - Effets à la surface de la Terre :

  • les perturbations magnétiques sont :

  • - vers le Nord à l’équateur - vers le Sud, au Nord et au Sud des centres des 2 vortex - vers l’Ouest aux terminateurs soir et matin HN - vers l’Est aux terminateurs soir et matin HS

  • à l’équateur, augmente l’intensité du champ magnétique à la surface de la Terre

  • produit la « Quiet Day Variation » ou Sq

HN

HS


Exemple de l effet dynamo ionosph rique sur les magn tom tres au sol moyenne latitude
Exemple de l’effet dynamo ionosphérique sur les magnétomètres au sol à moyenne latitude

Midi

Bx negative et symétrique autour de midi (station située au nord de la cellule nord)

By anti-symétrique autour de midi et négative côté soir


Formation de la dynamo ionosphérique magnétomètres au sol à moyenne latitude

  • Pour aller plus loin :

  • - l’illumination solaire crée un point chaud dans l’ionosphère près du midi local

  • - une région de hautes pressions se développe juste après le midi local

  • - l’atmosphère ionisée s’écoule radialement depuis les hautes pressions vers les basses pressions

  • le mouvement des particules chargées dans le champ magnétique terrestre produit un intense courant vers l’Est centré sur l’équateur magnétique (effet dynamo)

  • - ce courant va varier en fonction de la saison, du temps local, de la longitude géographique, de l’activité solaire


5. Modèle empirique de champ magnétique externe magnétomètres au sol à moyenne latitude


Modèle empirique de champ magnétique externe magnétomètres au sol à moyenne latitude

  • Pour reproduire la variabilité du champ externe :

  • fit en harmoniques sphériques des mesures magnétiques

  • prise en compte de la variation de l’inclinaison du dipôle magnétique

  • prise en compte des diverses sources de courants, à partir des indices magnétiques et de facteurs de pondération

  • prise en compte de l’histoire de la magnétosphère durant plusieurs heures (sous-orage, orage magnétique, reconnexion côté jour)

Soleil

Plan méridien de la magnétosphère

(d’après Tsyganenko et al., 2002)


Conclusions magnétomètres au sol à moyenne latitude

  • La magnétosphère terrestre est façonnée par les courants électriques

  • Ces courants électriques sont partout dans la magnétosphère et l’ionosphère et assurent le couplage entre les deux régions

  • Ces courants électriques varient considérablement en fonction de l’état du milieu interplanétaire, en particulier du champ magnétique du vent solaire (reconnexion) qui va impacter l’état de la magnétosphère (sous-orages et orages magnétiques)

  • La majorité de ces courants produisent des effets mesurables sur les magnétogrammes au sol

  • Ils sont aussi mesurables directement à l’aide de mesures satellites


  • Principales références utilisées dans cette présentation magnétomètres au sol à moyenne latitude

  • Livres :

  • * “Basic Space Plasma Physics”, Baumjohann et Treumann, Imperial College Press, 1997

  • * “Introduction to Space Physics”, Kivelson et Russell, Cambridge University Press, 1995

  • Présentation :

  • * “The Utilization of Ground Magnetometer Data in Magnetospheric Physics”, R. L. McPherron, XIIIth IAGA Workshop on Observatory Instruments, Data Acquisition, and Processing, June 2008, Golden, Co


ad