Futures missions magnétosphériques multi-satellites : THEMIS & MMS

1. Futures missions magnétosphériques multi-satellites : THEMIS & MMS Le Contel O. et A. Roux Centre d’étude des Environnements Terrestre et Planétaires (CETP), Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), UVSQ/CNRS, Vélizy. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005

2. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Contexte général exceptionnel • Succès de la mission CLUSTER (ASE) (prolongée jusqu’en 2009) • Collaboration ASE/CNSA avec la Chine pour DOUBLE STAR (lancés en 2003 et 2004) Nouveaux Objectifs : • THEMIS (NASA) « dédiée aux sous-orages » Etudier le déclenchement et la propagation à grande échelle de la reconfiguration de la queue magnétosphérique. • MMS (NASA) « dédiée à la reconnexion magnétique » Etudier en détail les mécanismes physiques à plus petite échelle qui permettent la reconfiguration rapide du champ magnétique et l’accélération des particules dans les plasmas non collisionnels. Rôle de la turbulence. Thèmes couverts : sous-orage, magnétopause/magnétogaine, choc, interaction vent solaire/magnétosphère, études sol, transport, turbulence plasma, accélération et chauffage, reconnexion, …

3. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Sous-orages magnétosphériques Reconfiguration rapide de la queue magnétosphérique accompagnée par une accélération et un chauffage des particules parallèlement et perpendiculairement au champ magnétique => Mode global de circulation de l’énergie entre le vent solaire et la Terre Conversion de l’énergie magnétique en énergie cinétique  Accélération des particules Région aurorale

4. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Sous-orage auroral (d’après Akasofu, 1964) Caméra UV du satellite POLAR

5. Deux classes de modèles CLUSTER Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005

6. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 La Mission THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms ) • Objectif scientifique : mission dédiée àl’étude « grande échelle » des sous-orages magnétosphériques • Sélection mars 2003 => Lancement octobre 2006 ! • 5 sondes identiques pour mesurer : B, E (3D), Ions et électrons • Réparties radialement dans le plan équatorial de la queue magnétosphérique : 3 sondes ~10 RT distantes ~2 RT, 1 sonde ~20 RT et 1 sonde ~30 RT • Complémentaire de CLUSTER : orbite polaire et petite échelle • Associées au réseau de caméras « plein ciel » et aux magnétomètres au sol canadiens (CANOPUS) et nord-américains

7. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Observations simultanées (10 s) au sol et in situ Détection du déclenchement du sous-orage MLT <0.5 ° et t <10 s Par an : 50-100 sous-orages en conjonction / 10-20 (CLUSTER)

8. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Participations françaises (soutien CNES)  CETP (A. Roux, O. Le Contel) 5 systèmes tri-axiaux d’antennes magnétiques (0.1 Hz - 4 kHz) (+ 1 modèle de rechange) déjà tous livrés  CESR (C. Jacquey, D. Le Quéau) site miroir pour la base de données provenant de tous les instruments

9. MMS-SMART La mission MMS 2010-2013(Magnetospheric Multi-Scale mission) Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 • Orbite équatoriale : CLUSTER est en orbite polaire Orbite plus appropriée pour étudier la reconnexion magnétique •  Distance inter-satellite plus faible 10 km-200 km : • 200 km - 10 000 km pour CLUSTER • Distances nécessaires pour comprendre les processus physiques • à l’échelle de la dynamique des électrons •  Meilleures résolutions temporelles : • 4s pour les mesures particules sur CLUSTER • Entre 40 et 250 ms ce qui est nécessaire pour obtenir les fonctions de distribution des particules lors des processus de reconfiguration • Mesures 3D du champ électrique : CLUSTER ne mesure que 2 composantes dans le plan de spin Le champ électrique parallèle au champ magnétique est très important pour comprendre l’accélération des particules

10. MMS-SMART Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Participation française (soutien CNES ) • CETP (A. Roux, O. Le Contel) • 4 systèmes tri-axiaux d’antennes magnétiques (0.1 Hz-6 kHz) • (+ 1 modèle de rechange) • Proposition récente de fournir aussi 4 magnétomètres « DC » (R&T CNES) suite à la défection de l’équipe allemande. • => modèle de table en décembre • puis revue générale de confirmation en février 2006 Discussion en cours pour la fabrication des PA (R&T CNES) des antennes magnétiques par le LPCE (J.-L. Pinçon, V. Krasnosselskikh)

11. Bx Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Sous-orage : 17 août 2003 By • Observations CLUSTER (200 km) : • Oscillations de la couche de courant • La couche reste structurée • Jy jusqu’à 80 nA/m2 (Harris model~rotB) • H ~ 1000 km ~ i • Reconfiguration par pallier • Bx  0 sur les 4 satellites ~1704 UT • Accélération du plasma • Réduction du courant Jy • Courants parallèles forts Jx Bz Ni Vxe,i Vye,i Jy H 1630 1704

12. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 1709 UT 1627 UT Sous-orage : 17 août 2003 • Emissions d’ondes intenses : • Composante Bz mesurée • par STAFF-SC à bord des • 4 satellites CLUSTER entre • 0.3 et 225 Hz : • Puissance intégrée ~1 nT2 Etude actuelle: Relation entre les émissions d’ondes, les oscillations de la couche fine et la reconfiguration par pallier du champ magnétique. Importance de l’effet Doppler. 1704

13. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Bx Sous-orage : 17 Août 2003 By Reconfiguration: 1659-1701 UT Observations d’ondes cyclotroniques (H+) f~0.2-1.5 Hz : • Oscillations By et Bz ~ +- 5 nT • Ey ~ +- 10 mV/m •Oscillations du courant : Jx ~ +-25 nA/m2 and Jy ~ +- 20 nA/m2 Valeur négative de Jy ! •Effet Doppler possible avec Vx,i Accélération des électrons et des ions Vx,i ~ 1200 km/s (et Vxe ~ 3000 km/s) Reconfiguration par pallier (Bx  augmente) Bz Ni Ey Vx,i Vy,i Jx Jy 1659 1701

14. Sous-orage : 17 Août 2003 Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Ondes cyclotron (H+) observées par STAFF: δj|, δBandδEy(sr2) avec f ~ 0.2-1.5 Hz Filtrage « spatial » par le tétraèdre (200 km) à ~ 3 Hz => nécessité de plus petites distances 1659 1701

15. Sous-orage : 17 Août 2003 C3 La forme d’onde indique clairement qu’il existe des structures magnétiques dont l’échelle est plus petite que la distance inter-satellite ~200 km C4 Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 1659:13 UT Extension des études de « filtrage en k » vers des k plus grands ~ 2/d_sat

16. Colloque de prospective du PNST, IAP, Paris, 29-30 septembre 2005 Conclusion Dans la continuité et la complémentarité des missions CLUSTER/DOUBLE STAR : • THEMIS étudiera la dynamique à grande échelle de la magnétosphère en particulier les sous-orages et le couplage vent solaire / magnétosphère / ionosphère, • MMS permettra d’étudier les phénomènes de reconfiguration magnétique à des échelles spatiales (~10 km) et temporelles (40 ms) jamais observées nous donnant ainsi les moyens d’étudier les processus cinétiques fondamentaux à l’origine de la reconnexion magnétique.