Le champ magntique dorigine externe
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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

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Le champ magnétique d’origine externe Aurélie Marchaudon LPC2E

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Le champ magntique dorigine externe

Aurlie Marchaudon

LPC2E

Atelier FORSTERITE, Grenoble, 22/10/2010


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Plan de la prsentation

  • Rappels dlectromagntisme

  • Introduction la magntosphre

    • La reconnexion dans la magntosphre

    • La dynamique du plasma magntosphrique et ionosphrique

    • Les rgions cls de la magntosphre

    • Les principales sources de courants

  • Mthodes de calcul des courants partir des mesures satellites

  • Prsentation des diffrents courants de la magntosphre, exemples de mesure et origine

    • Le courant de magntopause

    • Le courant central de queue

    • Le courant annulaire

    • Les courants aligns au champ magntique

    • Les courants ionosphriques : lectrojets et courant Sq

  • Modle empirique de champ magntique externe


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

1. Rappels dlectromagntisme


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Rappels sur le mouvement des particules charges dans un champ lectromagntique (1)

  • Champ magntique constant

  • mouvement de giration des particules autour de laxe du champ magntique- sens oppos pour les lectrons et les ions- mouvement hlicodal : si les particules ont une vitesse parallle au champ magntique

  • angle dattaque de la particule :

    • avec a = 0 (v = 0) et a = 90 (v = 0)

ion

a

B

  • Champ magntique + champ lectrique constants

  • mouvement de giration des particules, avec une drive dans la direction perpendiculaire aux deux champs- les ions et les lectrons drivent dans la mme direction- drive en E x B- Exemple : mouvement des particules dans le champ de convection magntosphrique


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Rappels sur le mouvement des particules charges dans un champ lectromagntique (2)

  • Champ magntique avec un gradient spatial dans la direction perpendiculaire laxe du champ

  • - mouvement de giration des particules, avec une drive dans la direction perpendiculaire au champ magntique et la direction de son gradient- les ions et les lectrons drivent en sens oppos- drive de gradient- Exemple : champ qui diminue quand on sloigne de la Terre

  • Champ magntique prsentant une courbure :

  • mouvement de giration des particules, avec une drive dans la direction perpendiculaire au champ magntique et la direction de courbure- les ions et les lectrons drivent en sens oppos- drive de courbure- Exemple : ligne de champ terrestre dipolaire

Force centrifuge ressentie par une particule

Dans le cas dun champ magntique dipolaire : ces deux dernires drives sajoutent pour former la drive magntique des particules


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Rappels sur le mouvement des particules charges dans un champ lectromagntique (3)

  • Champ magntique prsentant un gradient le long de son axe

  • conservation du moment magntique dune particule :

  • lorsque B augmente ou diminue le long de son axe, seul langle dattaque de la particule peut varier pour assurer la conservation du moment magntique

  • Cas dun champ magntique convergeant :

  • langle dattaque de la particule augmente

  • sa vitesse perpendiculaire augmente au dpend de sa vitesse parallle

  • au point miroir :B suffisamment intense pour que langle dattaque de la particule atteigne 90 et que la particule soit rflchie (du fait de la composante parallle de la force de gradient de B)

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

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


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

En rsum : les particules subissent dans un champ magntique dipolaire (cas de la Terre)

  • un mouvement hlicodal autour du champ B

  • un mouvement de rflexion entre les deux points miroirs dune ligne de champ (gradient de B entre lquateur et les pieds de la ligne)

  • un mouvement de drive autour de la Terre (gradient de B en sloignant de la Terre et courbure de B), oppos pour les lectrons (Est) et les ions (Ouest)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

2. Introduction la magntosphre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

La magntosphre terrestre faonne par le vent solaire


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

axe Sud-Nord

Z

O Terre

X

axe Terre-Soleil

Y

axe Matin-Soir

Les principaux repres de travail

Repre magntique ionosphrique (latitude magntique et temps magntique local)

Repre global GSM (X,Y,Z) Gocentrique Solaire Magntosphrique

Soleil

12MLT

06MLT

18MLT

70

60

00MLT

Plan xOz contient laxe du diple magntique terrestre

Vue du ple nord magntique depuis le dessus


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Processus de reconnexion la magntopause :concepts de magntosphre ferme et ouverte (1961)

  • Concept de magntosphre ferme

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

  • transfert de plasma et de quantit de mouvement par couplage visqueux, mais dynamique engendre faible

  • Concept de magntosphre ouverte

  • Dungey (1961) voque la reconnexion magntique entre lignes anti-parallles de champ magntique terrestre et interplantaire

  • transfert ais de plasma, dnergie et de quantit de mouvement le long des lignes de champ depuis le vent solaire vers la magntosphre

Daprs Dungey, 1963


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

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

Plan mridien

Reconnexion entre une ligne de champ interplantaire (2) et une ligne de champ terrestre (1) ferme

Reconnexion inverse

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

Projection dans lionosphre polaire

Plan quatorial

Soleil

Formation de 2 cellules de convection

Processus de reconnexion : convection grande chelle du plasma dans la magntosphre et lionosphre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Processus de reconnexion et convection grande chelle du plasma dans la magntosphre (2)

Plan mridien de la magntosphre

Soleil


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

X

Mantle

Polar Cusp

LLBL

X

Tail Plasma Sheet

X

Polar Cusp

X

Mantle

Processus de reconnexion : pntration et acclration du plasma dans la magntosphre et aurores dans lionosphre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Variabilit du champ magntique externe sous laction du vent solaire


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

La magntosphre terrestre et ses rgions cls

Magntosphre interne :- rgion de champ magntique dipolaire R < 6 RE- coexistence de 2 plasmas denses (n~10 cm-3) - un plasma froid : la plasmasphre : E~1 eV - un plasma chaud : les ceintures de radiation : E~qq keV-qq MeV

Feuillet central de plasma :- rgion de champ magntique ferm R > 6 RE- Plasma froid E~1-10 keV et tnu n~0.1-1 cm-3

Cornets polaires :- points nuls du champ magntique- sparent les lignes de champ fermes ct jour et ouvertes ct nuit- rgion ouverte sur le milieu interplantaire- E ~ qq keV (e-) qq 10 keV (i) et n ~ qq 10 cm-3

Lobes : - rgion de champ ouvert ct nuit- plasma froid : E~ qq eV et trs tnu : n < 0.1 cm-3

Rgions frontires : densit intermdiaire et faisceaux structurs de particules- couche limite basse latitude ( lintrieur de la magntopause ct jour)- manteau ( lintrieur de la magntopause ct nuit)- couche limite du feuillet de plasma (sparant les lobes du feuillet central de plasma ct nuit)

Ionosphre : plasma dense, froid et partiellement ionis (donc collisionnel) 80 < alt < 3000 km


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

J//-Region1

J//-Region2

Les diffrentes sources de courants magntosphriques

Cross-Tail Current Sheet


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

3. Mthodes de calcul des courants partir des mesures satellites


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

y

Nappe de courant

d bx

x

J//

d bx

A

vsc

Orbite du satellite

Dtermination des courants aligns au champ magntique partir des mesures dun satellite

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

Satellites rsted, Champ, FAST

  • Soustraction du champ magntique interne de la Terre : b = Bmesur - Bmodle

  • 2. Hypothse : les courants sont distribus en nappe infinie et uniforme

  • 3. Direction de la nappe de courant donne par lorientation de b

  • 4. Intensit du courant parallle

avec : vn = vsc sin A

  • 5. Limitation :

    • la mthode nest pas valide, si lorbite du satellite est parallle la nappe de courant


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Dtermination du courant partir des mesures de 4 satellites en ttradre : mthode du curlomtre applique Cluster

- Estimation directe de la densit de courant lectrique partir de rot(B)

- Utilisation des gradients spatiaux du champ magntique lintrieur du ttradre form par 4 satellites (daprs Dunlop et al., 2002)

SC4

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

2. Les courants normaux 3 faces sont re-projets dans un systme de coordonnes cartsien terrestre

J234

J134

SC3

J132

SC2

SC1

  • Hypothse et condition dutilisation :

  • variation du champ linaire entre les satellites J est constant lintrieur du ttradre

  • configuration du ttradre la plus rgulire possible


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

4. Diffrentes sources de courants dans la magntosphre, exemples de mesure et origine


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Le courant de magntopause ou courant de Chapman-Ferraro

  • - Courant circulant linterface entre le vent solaire et la magntosphre (Jmp)

  • Direction et gomtrie du courant :

  • Ct jour : vers lEst, courant hmisphrique

  • Ct nuit : vers lOuest, courant cylindrique se fermant au centre de la queue (Jtail)

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

  • - Distances la Terre :

  • Ct jour : ~10 RE

  • Ct nuit : ~15 RE aux terminateurs

  • ~ qq 100 RE dans la queue

  • - Courant total : ~107 A

  • - Effets la surface de la Terre :

  • perturbation magntique parallle au champ magntique terrestre et dirig vers le Nord

  • augmente lintensit du champ magntique dans la magntosphre et la surface de la Terre ct jour

Vue 3D de la magntopause(Soleil gauche)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Mesure directe du courant de magntopause avec Cluster

  • Traverse de magntopause (magntosphre -> vent solaire) : rotation et dcroissance du champ magntique

  • Calcul du courant de magntopause par rot(B), grce au ttradre de 4 satellites Cluster

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

magnetopause

magntosphre

magntogaine

Cluster

Cluster

Y

Systme de coordonnes GSM

Daprs Haaland et al. (2004)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Gnration du courant de magntopause

Magnetosphere

B

  • Pour aller plus loin :

  • - Courant cr linterface entre 2 plasmas aux proprits diffrentes : vent solaire (dense, faiblement magntis) et magntosphre (tnu, fortement magntis)

  • En atteignant le champ magntique terrestre, les ions et les lectrons du vent solaire sont dflchis par la force de Lorentz

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

  • Une nappe de courant lectrique circulant la frontire entre les deux milieux se cre

  • Courant totalement dvelopp : pression dynamique du vent solaire = pression magntique lintrieur de la magntosphre

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

Emp

B

Jmp

Magnetopause

rgi

rge

B = 0

Electron path

Ion path

Wind

Solar


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Le courant central de queue (cross-tail current sheet)

Vue depuis la Terre

  • Courant circulant linterface entre les deux lobes magntosphriques de la queue (Jtail)

  • Rgion du feuillet de plasma central

  • Direction et gomtrie du courant :

  • fine nappe circulant vers lOuest et divergeant sur la magntopause vers le Nord et le Sud

  • - Distance la Terre : >10 RE

  • Courant total : 2.105 A.RE-1,

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

  • - Effets la surface de la Terre :

  • perturbation magntique parallle au champ magntique terrestre et dirig vers le Sud

  • diminue lintensit du champ magntique dans la magntosphre et la surface de la Terre

  • diminution beaucoup plus forte ct nuit : asymtrie de la perturbation magntique engendr sur la surface

2 solnodes colls dans lesquels B est en sens oppos


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Z

Y

X

Mesure directe du courant de queue avec Cluster

  • Traverses successives du courant de queue par Cluster : caractrises par des inversions de la composante Bx du champ magntique

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

  • 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 priodes agites quen priodes calmes

B

Cluster

B

Daprs Sergeev et al. (2003)

Vue depuis la Terre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

matin

Soleil

BTerre

Jring

Plan quatorial

soir

Le courant annulaire (ring current)

  • - Circule autour de la Terre, centr sur le plan quatorial

  • - Direction et gomtrie du courant : vers lOuest et quasi-circulaire

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

  • - Courant total : 5.105 A (priode calme)

  • >107 A (orage magntique)

  • - Effets la surface de la Terre :

  • perturbation magntique quasi-constante parallle laxe du champ magntique, mais vers le sud

  • rduit lintensit du champ magntique la surface de la Terre

  • plus le courant est intense, plus le champ la surface diminue, cest le cas lors des orages magntiques

  • - La perturbation magntique au centre de la Terre cause par le courant annulaire est directement proportionnelle lnergie totale de toutes les particules drivantes


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Dst

Caractrisation du courant annulaire par lindice Dst

  • Lindice Dst mesure essentiellement les perturbations associes au courant annulaire (+ courants de magntopause et de queue)

  • Dfinition de lindice Dst :

  • un instant t, Dst(t) est dfini comme la moyenne de la variation des perturbations de la composante H de 4 observatoires magntiques (ramene la position de lquateur magntique)

Variations de lindice Dst lors dun orage magntique :

- Fortes dcroissances lies des intensifications du courant annulaire cause par linjections de particules depuis la queue magntosphrique

Daprs Hanuise et al. (2006)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Mesure directe du courant annulaire avec Cluster

  • Plusieurs traverses successives du plan quatorial de la magntosphre interne dans diffrents secteurs de temps local

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

  • Premire mesure directe du courant annulaire

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

Plan quatorial

Daprs Vallat et al. (2005)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Gnration du courant annulaire

  • Pour aller plus loin :

  • courant produit par la drive vers lOuest des protons et la drive vers lEst des lectrons, injects depuis la queue

  • - les lectrons ont une nergie plus faible et sont rapidement perdus dans latmosphre

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

  • Dcomposition du mouvement des ions dans un champ magntique dipolaire :

  • 1. Giration autour du champ magntique local

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

  • 3. Drive azimutale autour de la Terre

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

en bleu : trajectoire dun unique ion


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Gnration du courant annulaire partiel

  • Pour aller encore plus loin :

  • Les ions en plus des 3 mouvements prcdents, subissent une drive vers le Soleil associe au champ lectrique de convection dans la magntosphre interne

  • Ce mouvement :

  • se retranche la drive des ions ct matin -> diminution du courant

  • sajoute la drive des ions ct soir -> intensification du courant

  • Cest le courant annulaire partiel ct soir

matin

BTerre

Soleil

Plan quatorial

Jring

soir

trajectoire des ions dans le plan quatorial


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

R1

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 aligns au champ magntique (field-aligned currents)

  • Circulent le long du champ magntique entre le plan quatorial de la magntosphre et lionosphre

  • - 2 rgions principales de courants appeles Rgion-2 et Rgion-1 (mcanismes de gnration diffrents)

  • Direction et gomtrie des courants :

  • les 2 rgions forment 2 anneaux concentriques centrs sur chaque ple magntique

  • les courants sont opposs en signe entre les 2 rgions, et de part et dautre de laxe midi-minuit

  • - Courant total : qq 106 A (fn de lactivit magntique)

  • Effets la surface de la Terre :

  • trs faibles (car soient sannulent entre eux, soient avec les courants ionosphriques)

Ple nord vu depuis le dessus


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

y

Nappe de courant

d bx

x

J//

d bx

A

vsc

Orbite du satellite

Rappel : dtermination des courants aligns au champ magntique partir des mesures dun satellite

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

Satellites rsted, Champ, FAST

  • Soustraction du champ magntique interne de la Terre : b = Bmesur - Bmodle

  • 2. Hypothse : les courants sont distribus en nappe infinie et uniforme

  • 3. Direction de la nappe de courant donne par lorientation de b

  • 4. Intensit du courant parallle

avec : vn = vsc sin A

  • 5. Limitation :

    • la mthode nest pas valide, si lorbite du satellite est parallle la nappe de courant


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Exemple de mesure directe des courants aligns avec CHAMP

Soleil

1200 MLT

Sat

R2

R1

R2

R1

R2

R1

R2

R1

  • A grande chelle :

  • Observation des principales grandes rgions de courants parallles (Rgion-1 et -2)

  • - Etude statistique pour tudier lintensit et lextension en latitude de ces rgions, en fn de lactivit magntique, du vent solaire

  • A petite et moyenne chelle :

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

  • - Etude de ces structures pour dterminer leur origine dans la magntosphre (reconnexion transitoire sur la magntopause ou dans la queue magntosphrique, instabilits)

montant

descendant


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Plan quatorial

Soleil

Couche limite basse latitude (LLBL)

Magntopause

matin

+

soir

+

+

+

+

+

+

+

+

V

+

+

E

+

B

Lignes dcoulement du plasma

V

B

B

E

E

E

B

V

V

Gnration des courants aligns de Rgion-1

  • Pour aller plus loin :

  • Couche frontire (magntopause) :

  • plasma transport ct nuit par interaction visqueuse et reconnexion (entranement du vent solaire)

  • force de Lorentz : lectrons dflchis ct matin et ions ct soir

  • gnration dun champ lectrique soir -> matin

  • Magntosphre interne :

  • Ecoulement retour avec plasma transport ct jour

  • force de Lorentz : lectrons dflchis ct soir et ions ct matin

  • gnration dun champ lectrique matin -> soir

  • Lignes de champ magntique parfaitement conductrices : le champ lectrique magntosphrique se projette dans lionosphre

  • Le champ lectrique gnre un courant de Pedersen dans lionosphre (// E). Par continuit du courant :

  • ct soir : convergence des champs lectriques et un courant align montant depuis lionosphre

  • ct matin : divergence des champs lectriques et un courant align descendant dans lionosphre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Gnration des courants aligns de Rgion-2

  • Pour aller plus loin :

  • Queue magntosphrique :

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

  • A la frontire queue/magntosphre interne :

  • dformation de la frontire qui se rapproche de la Terre ct minuit et sen loigne sur les flancs

  • cette dformation gnre un champ lectrique de polarisation soir-matin

  • les 2 champs squilibrent la frontire

  • Magntosphre interne :

  • le champ lectrique devient nul dans la magntosphre interne

  • on parle dcrantage de la magntosphre interne (insensible la convection)

  • le champ lectrique tant nul lintrieur de la frontire mais pas lextrieur, une divergence du champ lectrique se produit

  • gnration de courants aligns au champ magntique : - ct matin : montant depuis lionosphre

  • - ct soir : descendant dans lionosphre

Plan quatorial

Soleil

Frontire

Feuillet de plasma

E=0

Epol

Econv

J//


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Magntosphre

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

Ionosphre

Electrojet Est

Electrojet Ouest

Calotte polaire

Convection Antisolaire

Convection

Solaire

Convection

Solaire

Fermeture des courants aligns dans lionosphre

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

  • 2 types de courants ionosphriques gnrs par le milieu anisotrope (magntis) :

  • Les courants horizontaux de Pedersen JP (circulant parallle au champ lectrique de convection) qui ferment les courants aligns au champ magntique dans la basse ionosphre

  • Les courants de Hall JH ou lectrojets (circulant perpendiculairement au champ lectrique de convection)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Distribution des courants ionosphriques de Hall ou DP-2

  • Convection magntosphrique engendre :

  • 2 cellules de convection ionosphrique

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

  • - Le courant scoule de minuit vers midi (flche jaune) dans la calotte polaire et scoule en sens inverse dans lovale auroral

  • - Lovale auroral est le sige de prcipitations de particules responsables de fortes conductivits

  • Le courant se concentre donc dans cette rgion et circule vers lOuest ct matin (flche rouge) et vers lEst ct soir (flche bleue)

  • Ce sont les lectrojets auroraux

  • - Perturbations la surface de la Terre :

    • ct matin : perturbation ngative

    • ct soir : perturbation positive

Courant quivalent ionosphrique

Soleil

Matin

Soir

Daprs Clauer et Kamide (1985)


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Mesure des courants ionosphriques de Hall partir des magntomtres au sol

  • Chanes de magntomtres au sol :

  • Dtermination dune ligne de base des donnes magntomtres, (priode magntiquement calme proche de lvnement tudier)

  • Perturbations magntiques enregistres correspondent au systme de courant ionosphrique rel ( 3D)

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

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

  • Exemple prsent :

  • Courants supposs ne varier que dans la direction Nord-Sud (cas des lectrojets)

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

  • - Courants cods en couleur : jaune-rouge reprsente les courants vers lEst et vert-bleu reprsente les courants vers lOuest


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Gnration des courants ionosphriques de Hall

JH = n e (V+ - V-)

Pour aller plus loin :

- En prsence de champs lectrique E et magntique B orthogonaux, les lectrons et les ions drivent dans la mme direction perpendiculairement E et B (drive en E x B)

- Comme les ions entrent plus en collisions avec les atomes neutres, ils drivent plus lentement que les lectrons

- Par consquent un courant net est gnr dans la direction oppose la vitesse de drive. Cest le courant de Hall

JH

V-

N

V+

+

-

B

E

Plan de l ionosphre


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Distribution des courants aligns du cornet polaire ct jour

  • gnrs par la reconnexion magntique la magntopause sur la face avant (Bz < 0) ou dans les lobes (Bz > 0)

  • distribution et polarit variables : dpendant de lorientation du champ magntique interplantaire et donc de la gomtrie de la reconnexion sur la magntopause

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


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Systme de courants 3D li aux sous-orages(Substorm Current Wedge)

  • En priode de sous-orages magntosphriques :

  • Queue magntosphrique :

  • reconnexion magntique dans la queue lointaine

  • disruption du courant central de queue prs de la Terre

  • Le long du champ magntique :

  • divergence du courant de queue en une paire de courant align au champ magntique

  • Ionosphre :

  • intensification de llectrojet auroral vers lOuest ct pr-minuit

  • systme de courant ionospherique appel DP-1 (Disturbance Polar of Type 1)

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

  • il cause une perturbation ngative la surface de la Terre

  • - Ce courant varie en fonction de lintensit du sous-orage

Soleil

Courant quivalent ionosphrique


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La dynamo ionosphrique ou courant Sq

  • Direction et gomtrie du courant :

  • intense courant centr sur lquateur magntique

  • circule vers lEst, ct jour

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

  • - Distance la Terre : dans la couche E de lionosphre (90-120 km dalt.)

  • - Effets la surface de la Terre :

  • les perturbations magntiques sont :

  • - vers le Nord lquateur - vers le Sud, au Nord et au Sud des centres des 2 vortex - vers lOuest aux terminateurs soir et matin HN - vers lEst aux terminateurs soir et matin HS

  • lquateur, augmente lintensit du champ magntique 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 leffet dynamo ionosphrique sur les magntomtres au sol moyenne latitude

Midi

Bx negative et symtrique autour de midi (station situe au nord de la cellule nord)

By anti-symtrique autour de midi et ngative ct soir


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Formation de la dynamo ionosphrique

  • Pour aller plus loin :

  • - lillumination solaire cre un point chaud dans lionosphre prs du midi local

  • - une rgion de hautes pressions se dveloppe juste aprs le midi local

  • - latmosphre ionise scoule radialement depuis les hautes pressions vers les basses pressions

  • le mouvement des particules charges dans le champ magntique terrestre produit un intense courant vers lEst centr sur lquateur magntique (effet dynamo)

  • - ce courant va varier en fonction de la saison, du temps local, de la longitude gographique, de lactivit solaire


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5. Modle empirique de champ magntique externe


Le champ magn tique d origine externe aur lie marchaudon lpc2e

Modle empirique de champ magntique externe

  • Pour reproduire la variabilit du champ externe :

  • fit en harmoniques sphriques des mesures magntiques

  • prise en compte de la variation de linclinaison du diple magntique

  • prise en compte des diverses sources de courants, partir des indices magntiques et de facteurs de pondration

  • prise en compte de lhistoire de la magntosphre durant plusieurs heures (sous-orage, orage magntique, reconnexion ct jour)

Soleil

Plan mridien de la magntosphre

(daprs Tsyganenko et al., 2002)


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Conclusions

  • La magntosphre terrestre est faonne par les courants lectriques

  • Ces courants lectriques sont partout dans la magntosphre et lionosphre et assurent le couplage entre les deux rgions

  • Ces courants lectriques varient considrablement en fonction de ltat du milieu interplantaire, en particulier du champ magntique du vent solaire (reconnexion) qui va impacter ltat de la magntosphre (sous-orages et orages magntiques)

  • La majorit de ces courants produisent des effets mesurables sur les magntogrammes au sol

  • Ils sont aussi mesurables directement laide de mesures satellites


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  • Principales rfrences utilises dans cette prsentation

  • Livres :

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

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

  • Prsentation :

  • * 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


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