Aurélie MARCHAUDON

1. ETUDE MULTI-INSTRUMENTALE DE LA DYNAMIQUE DES STRUCTURES AURORALES COTE JOUR ET COTE NUIT : COUPLAGE AVEC LA MAGNETOSPHERE ET LE MILIEU INTERPLANETAIRE Aurélie MARCHAUDON

2. Plan de l’exposé 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour 3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit 4.Conclusion et perspectives • 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère • 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour • Réponse à une rotation du champ magnétique interplanétaire • Electrodynamique d’un FTE • Réponse à des impulsions de la pression du vent solaire 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère 2. Réponses aux stimuli du vent solaire côté jour 3. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit Modélisation et évolution temporelle de l’arc • 1. Rappel sur le système magnétosphère-ionosphère • Présentation de la magnétosphère • Convection dans la magnétosphère • Electrodynamique de la magnétosphère • Présentation multi-instrumentale pour la méso- échelle

3. LLBL • Reconnexion : B IMF sud • Couche frontière du côté jour de la magnétosphère • Transfert de plasma du vent solaire vers la magnétosphère par reconnexion sur la face avant de la magnétosphère • MANTEAU • Reconnexion : B IMF nord • Couche frontière, côté nuit, située hors du plan équatorial • - Transfert de plasma du vent solaire vers la magnétosphère par reconnexion dans la région des lobes • FEUILLET DE PLASMA • - Couche limite séparant les lobes nord et sud • Réservoir où du plasma s’accumule • Interruption du courant de queue vers l’ionosphère et éjection du plasma vers la Terre et le milieu interplanétaire • CORNETS POLAIRES • Régions de lignes de champ ouvertes sur le milieu interplanétaire • - Entrée directe de plasma du vent solaire dans la magnétosphère X Manteau Cornet polaire LLBL Feuillet de plasma de la queue X X Cornet polaire X Manteau La magnétosphère terrestre et ses régions clés

4. 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 Formation de 2 cellules de convection Convection du plasma dans la magnétosphère

5. Effet de la composante matin-soir (By) de l’IMF sur la convection magnétosphérique Vue de la magnétosphère depuis le Soleil • En période de By > 0 : • la tension magnétique tire les lignes de champ nouvellement reconnectées vers le matin, dans l’hémisphère nord • l’écoulement du plasma entrant dans la calotte polaire possède également une composante matin • les 2 cellules de convection se déforment : • Cellule matin en croissant • Cellule soir ronde Calotte polaire nord

6. Systèmes de courants dans la magnétosphère Courants parallèles et fermeture ionosphérique Courants montants Courants descendants Magnétosphère R1 R1 R2 R2 Soleil 1200 MLT R1 J// R2 J// R1 J// R2 J// Jp Jp Ematin-soir Soir 1800 MLT Matin 0600 MLT JH Jp JH Ionosphère Electrojet Est Electrojet Ouest Calotte polaire Convection retour Convection retour Iijima et Potemra (1976) Electrodynamique du système magnétosphère-ionosphère

7. Radars HF SuperDARN • 2 chaînes autour des pôles magnétiques sondant l’ionosphère aurorale • Champ électrique de convection ionosphérique • Satellites basse altitude • Satellite magnétique (Ørsted –CHAMP) • ou • Satellite magnétosphérique (FAST-DMSP): • Champs électrique et magnétique • Particules ions et électrons Vent Solaire • Satellites Cluster • Mesures multipoints dans la magnétosphère à haute (10-15 RE) ou moyenne (3-5 RE) altitude • Champs électrique et magnétique • Particules ions et électrons plasma Champs de vue des radars de l’hémisphère nord Conjonction multi-instrumentale Exemple de conjonction dans le cornet polaire

8. Dans les 2 cas : génération de courants parallèles au champ magnétique Principaux stimuli directs du vent solaire sur la magnétosphère du côté jour IMF sud : reconnexion transitoire à la magnétopause - FTE impulsion de pression à la magnétopause

9. Différence : FTE : Vstructure// Vconvection Pression : Vstructure Vconvection Mouvement dans le cas d’une impulsion de pression Mouvement dans le cas d’un FTE Similitudes entre les signatures ionosphériques des FTEs et des impulsions de pression Modèle de Southwood (1987) Formation d’un double vortex de convection alimenté par une paire de courants parallèles  Les impulsions de pression peuvent être également un déclencheur de la reconnexion transitoire (FTE)

10. Cluster : ~78° MLAT ~1130 MLT Cornet polaire de haute altitude F E Réponse à une rotation de l’IMF – 17/03/2001 Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster et SuperDARN Projection de Cluster sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques Tétraèdre Cluster dans la magnétosphère (8-9 RE) - Plan XZ GSM 05:30 TU Radars SuperDARN : Thikkvibaer (E) et Hankasalmi (F) Rotation IMF – 17/03/2001

11. Conditions interplanétaires – 17/03/2001 Inversions By-Bz entre 05:20 et 05:50 TU By : + 3 nT  – 5 nT Bz : + 3 nT – 1 nT PSW < 1 nPa Rotation IMF – 17/03/2001

12. Cluster 1 - CIS • Observations principales : • Rotation de la convection liée à la rotation de l’IMF : • MatinSoirMatin •  délai de 2 min entre Cluster et SuperDARN • Injections de plasma durant la période 1 : • Cluster : • - pics de densité et de vitesse de convection • SuperDARN : • - sursauts de convection vers le soir • - structures de puissance renforcée a Matin b Soir c SuperDARN d e Données Cluster et SuperDARN – 17/03/2001 1 Vitesses bleues : matin Vitesses jaune-rouge : soir Rotation IMF – 17/03/2001

13. Vitesses de Convection Cluster et SuperDARN Matin Soir Comparaison vitesses de convection – 17/03/2001 • Résultats : • Direction : comparaison satisfaisante entre Cluster et SuperDARN à partir de 05:38 TU • Amplitude : 1,5 fois supérieure à Cluster qu’à SuperDARN Rotation IMF – 17/03/2001

14. Cluster – FGM Exemple de l’injection 3 sc4 sc3 B (nT) sc2 B// (nT) sc1 Comparaison vitesses de structure – 17/03/2001 Rotation IMF – 17/03/2001

15. Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999 Conjonction dans le cornet polaire entre les satellites Ørsted et DMSP-F11 et SuperDARN Projection des trajectoires d’Ørsted et DMSP sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques 17:26 TU Radars SuperDARN : Kapuskasing (K) et Saskatoon (T) Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999

16. Données Ørsted et SuperDARN – 12/09/1999 Ørsted DB et Courants parallèles SuperDARN - Kapuskasing Vitesse radiale FTE Apparition du FTE Ørsted 4 nappes de courants parallèles de petite échelle Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999

17. Courants associés au FTE – 12/09/1999 Vérification du modèle de Southwood (1987): sur le système de FACs (3) et (4) Superposition courants parallèles-convection Courant de Pedersen (SuperDARN) JP = SP E = SPV B = 0,225 A.m‑1 Courants parallèles (3) et (4) (Ørsted) J//+ = J//─ = 0,18 A.m‑1 Précision : 20%  Le système de FACs (3) et (4) est fermé uniquement par le courant de Pedersen à l’intérieur du tube Electrodynamique d’un FTE – 12/09/1999

18. Réponse à des impulsions de la pression du vent solaire – 14/07/2001 Conjonction dans le cornet polaire entre Cluster (3-5 RE), IMAGE et SuperDARN Projection de Cluster sur les champs de vue SuperDARN – Coordonnées magnétiques Conditions interplanétaires: 5 < By < 10 nT Bz ~ -2 nT Impulsions de pression – 14/07/2001

19. Cluster Cluster 1 – CIS 14/07/2001 e Réponses aux impulsions de la pression du vent solaire – 14/07/2001 • 3 impulsions de pression : • Injections de plasma provenant de la magnétogaine (Cluster-1) • 3 intensifications de précipitations aurorales (IMAGE) • 3 sursauts de convection vers le nord (SuperDARN)  Signature de reconnexion transitoire à la magnétopause (FTE) déclenchée par les impulsions de pression Impulsions de pression – 14/07/2001

20. Agencement spatio-temporel des réponses ionosphériques – 14/07/2001 IMAGE et SuperDARN pour la 1ère impulsion - coordonnées magnétiques IMAGE _ 12LSI & Prince George Vel 01:29 TU IMAGE _ HWIC & SD 01:29 TU IMAGE _ 12LSI & Kodiak Vel 01:29 TU 12 MLT 12 MLT 18 MLT 80 70 • Les précipitations aurorales se produisent : • en début de vie des sursauts de convection • à plus basse latitude que les sursauts de convection  les sursauts de convection observés par SuperDARN sont une signature fossile de la reconnexion Impulsions de pression – 14/07/2001

21. Conclusions côté jour • Rotation IMF - 17/03/2001 • Première comparaison quantitative des : • - vitesses de convection • - vitesses des tubes reconnectés • entre la magnétosphère et l ’ionosphère • Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003 • Electrodynamique d’un FTE - 12/09/1999 • Première observation directe des courants parallèles d ’un FTE, en conjonction avec un sursaut de convection • Système de courants autonomes associé au FTE • Impulsions de pression - 14/07/2001 • Les impulsions de pression du vent solaire peuvent être un déclencheur de la reconnexion • Les sursauts de convection ionosphérique sont une signature fossile de la reconnexion

22. Electrodynamique des structures aurorales côté nuit ALTITUDE DISTANCE HORIZONTALE Structures de potentiel en V d’après Marklund (1997) Cisaillement de champ électrique 1 FAC montant au centre de la région d’accélération 2 FACs descendants sur les bords polaire et équatorial Représentation 1D de cet arc  Structures à 2D des arcs réels plus complexes

23. Electrodynamique d’un arc auroral côté nuit – 12/01/2000 Conjonction autour de 0000 MLT entre les satellites Ørsted et FAST et SuperDARN Projection des trajectoires d’Ørsted et FAST sur les champs de vue SuperDARN – coordonnées magnétiques Conditions interplanétaires stables: By < -5 nT Bz > +2 nT PSW = 2 nPa 22:20 TU Radars SuperDARN : Thikkvibaer (E) et Hankasalmi (F) Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000

24. Convection et précipitations associées à l’arc – 12/01/2000 SuperDARN - 22:10-22:16 UT SuperDARN - 22:30-22:36 UT FAST Oersted Polar-22:35:08 UT Polar-22:14:15 UT FAST Ørsted Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000

25. Modélisation du profil latitudinal de la conductivité Pedersen - Cas Ørsted - 12/01/2000 1D : Modélisation 2D de SP y Nord x Est Ørsted Modélisation 1D de SP Continuité du courant Cisaillement de convection ARC Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000

26. Electrons précipitants de FAST 9.0 10000 8.4 Energy (eV)_ PA = 0-33° 7.8 Log (eV.cm -2_s_sr_eV) 7.2 6.6 6.0 1000 0 100 150 50 Time after 2233:55 UT 70.5° 67.15° 63.7° 73.9° Mlat Continuité du courant (1D) Modélisation du profil longitudinal de la vitesse de convection - Cas FAST - 12/01/2000 Modélisation 1D de Vest ARC Cisaillement de convection Profil modélisé Electrodynamique d’un arc – 12/01/2000 Profil expérimental

27. Conclusions côté nuit • Electrodynamique d’un arc auroral - 12/01/2000 • Cas FAST : • modélisation 1D bien adaptée • Cas Ørsted : • insuffisances de la modélisation 1D • problème de l’acquisition d’entrées 2D pour la modélisation • Evolution rapide de l’arc • Passage FAST : divergence des courants Pedersen maintenue sans cisaillement de convection • Réf : Marchaudon et al., Ann. Geophys., 2003

28. Conclusion générale • Etude du comportement global des tubes de flux depuis les frontières de la magnétosphère jusqu’à l’ionosphère • Résultats principaux • Comparaison du comportement d’un même tube de flux associé à de la reconnexion dans la magnétosphère et l’ionosphère • Les impulsions de pression déclencheurs de la reconnexion • Etude de l’électrodynamique de structures de moyenne échelle, côté jour et côté nuit • Utilisation de plusieurs instruments situés en différents points du système magnétosphère-ionosphère

29. Perspectives de travail • Etudes multi-instrumentales : quelques pistes de travail • Côté jour • une meilleure description du système de courants associés au FTE • une confirmation des idées actuelles sur le déroulement de la « vie du FTE » • Structures d’arc côté nuit • une amélioration des entrées de lamodélisation 2D : convection-courants parallèles (SuperDARN-Cluster)