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Futures missions magnétosphériques multi-satellites : THEMIS & MMS

Le Contel O. et A. RouxCentre 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

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, …


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 Région aurorale

Conversion de l’énergiemagnétique en énergie cinétique Accélération des particules

Sous-orages magnétosphériques


Sous-orage auroral (d’après Akasofu, 1964)

Caméra UV du satellite POLAR


Deux classes de modèles

CLUSTER


La Mission THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms )

• Objectif scientifique : mission dédiée à l’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


U S G S (1 m in )

U C -L A N L (1 s )

M E A S U R E (1 s )

P ro p o s e d T h e m is C a n a d a /A la s k a

A L A S K A (1 s )

C A N O P U S (5 s)

C G S (5 s )

Observations simultanées (10 s) au sol et in situ


Par an : 50-100 sous-orages en conjonction / 10-20 (CLUSTER)

Détection du déclenchement du sous-orage MLT <0.5 ° et t <10 s

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

Orbite équatoriale :CLUSTER est en orbite polaireOrbite plus appropriée pour étudier la reconnexion magnétique Distance inter-satellite plus faible 10 km-200 km : 200 km - 10 000 km pour CLUSTERDistances nécessaires pour comprendre les processus physiques à l’échelle de la dynamique des électrons Meilleures résolutions temporelles : 4s pour les mesures particules sur CLUSTEREntre 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 spinLe champ électrique parallèle au champ magnétique est très important pour comprendre l’accélération des particules

MMS-SMART La mission MMS 2010-2013(Magnetospheric Multi-Scale mission)


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)

MMS-SMART

Participation française (soutien CNES )


Sous-orage : 17 août 2003Bx

By

Bz

Ni

Vxe,i

Vye,i

H

1704

Jy

1630

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


Emissions d’ondes intenses :

Composante Bz mesuréepar 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.

1627 UT 1709 UT

Sous-orage : 17 août 2003


1704

Bx

By

Bz

Ni

Vx,i

Vy,i

Jx

Ey

17011659

Sous-orage : 17 Août 2003

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/m2Valeur négative de Jy !

• Effet Doppler possible avec Vx,i

Accélération des électrons et des ionsVx,i ~ 1200 km/s (et Vxe ~ 3000 km/s)

Reconfiguration par pallier (Bx augmente)Jy



Ondes cyclotron (H+) observées par STAFF: δj|, δBand δEy(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

La forme d’onde indique clairement qu’il existe des structuresmagnétiques dont l’échelle est plus petite quela distance inter-satellite ~200 km

C3

C4

1659:13 UT

Extension des études de « filtrage en k » vers des k plus grands ~ 2/d_sat



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.


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