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Couplages

Au LPC2E, les travaux de recherche sur les couplages entre l’atmosphère, l’ionosphère et la magnétosphère s’articulent autour de 3 missions spatiales clés : Cluster, DEMETER et TARANIS. L’équipe assure des responsabilités de PI instrument pour chacune de ces missions (WHISPER sur Cluster, IMSC sur DEMETER, IMM, IME-HF et MEXIC sur TARANIS). De plus nous avons la responsabilité scientifique (PI mission) de DEMETER et TARANIS.

Electricité Atmosphérique - Couplages Atmosphère/Ionosphère

Pour cette thématique, nos travaux de recherches se répartissent suivant trois grandes classes :
• Recherches théoriques sur la physique des Transient Luminous Events (TLE).
• Recherches théoriques sur la physique des Terrestrial Gamma ray Flashes (TGF).
• Recherches expérimentales, via les données DEMETER, sur les phénomènes associés aux orages tels que les éclairs parents des TLE, les précipitations d’électrons induites par les éclairs et les faisceaux d’électrons énergétiques.

Parmi les nombreux résultats obtenus relevons en particulier : la quantification du rôle des conditions ionosphériques dans la production, la morphologie et la polarité des décharges atmosphériques de type sprite [Qin et al., 2013] ; la prédiction des émissions lumineuses associées à l’accélération d’électrons relativistes produisant les TGF [Xu. et al, 2015] ; la découverte d’un échappement de la très haute atmosphère terrestre induit par les orages [Parrot et al., 2013].

L’activité électricité atmosphérique est aussi un sujet d’intérêt pour l’équipe Atmosphère du LPC2E. En conséquence il existe des actions communes sur cette thématique, notamment un projet de ballon stratosphérique pour l’étude des orages ainsi que des travaux sur la modélisation de l’impact des TLE sur la physico-chimie de l’atmosphère.

Notre intégration à la communauté scientifique de l‘Electricité Atmosphérique nous amène à participer à divers programmes nationaux et internationaux :
- Programme de recherche collaboratif de l’European Science Foundation TEA-IS [Thunderstorm Effects on the Atmosphere-Ionosphere System, 2011–2016].
- Activité LAboratory of MUlti-Satellite Studies of Atmosphere-Ionosphere Electric Coupling du GdRI Franco-Russe Helio-Plasmas.
- Projet SOLID [Space-basedOptical LIghtning Detection, LA Toulouse].
- Projet interdisciplinaire LICORNE [LIghtning and COsmic Rays in Natural Environment, EMN/Subatech].

Couplages Ionosphère/Magnétosphère/Vent Solaire

Les recherches menées au LPC2E sur les couplages entre Ionosphère, Magnétosphère et vent solaire s’organisent autour des données des missions spatiales Cluster et DEMETER.

Utilisation des données DEMETER : DEMETER est la première mission spatiale dont le LPC2E a eu la responsabilité (charge utile scientifique et centre de données). La mission est arrêtée depuis fin 2010 mais l’exploitation des données se poursuit avec toujours autant d’intensité. Elle a permis de mettre en évidence dans l’ionosphère une très grande variété d’ondes à diverses fréquences non seulement dans les zones aurorales mais aussi à moyenne latitude et dans la région équatoriale [Němec et al., 2015]. Bien que la question du lien causal entre activité sismique et perturbations ionosphériques soit toujours en partie ouverte, DEMETER est un succès scientifique et technique incontestable, qui s’est appuyé sur de très nombreuses collaborations, notamment via le projet FP7 SEMEP (Search for Electro-Magnetic Earthquake Precursors combining satellite and ground-based facilities, 2010-2012).

Utilisation des données Cluster : l’intérêt scientifique des données Cluster ne se dément pas et la fin de la période opérationnelle est maintenant repoussée au-delà de 2020. Au sein de l’équipe, les études sur les couplages Ionosphère/Magnétosphère ont donné lieu à des résultats scientifiques importants. Dans le cadre de contrats CNES/ONERA - CEA nous avons généré une base de données constituée de mesures d’ondes basse fréquence dans la magnétosphère interne (données de Cluster, THEMIS, DE1, Polar, CRRES et Akebono). L’analyse de cette base a permis de mettre en évidence l’importance des ondes sifflement obliques pour les processus de diffusion, de perte et d’accélération des particules (cf. Figure 1).

Figure 1. Distribution en énergie des ondes de type siffleur dans les ceintures de radiations [Artemyev et al., 2015].

Il est maintenant clair que ces ondes jouent un rôle déterminant dans la formation et la dynamique de la ceinture de radiation externe. Ces travaux ont fait l’objet d’une thèse et de 25 articles qui sont résumés dans un article de revue [Artemiev et al., 2015]. Les compétences acquises dans ce domaine nous valent la responsabilité d’un lot de travail dans le projet H2020 PROGRESS (Prediction of Geospace Radiation Environment and solar wind parameters, 2014-2016).

Concernant le couplage Magnétosphère/Vent Solaire, les travaux d’analyse de données Cluster pendant la traversée du choc terrestre nous ont permis de montrer que la structure du front de choc est similaire à celle d’une onde nonlinéaire du type sifflement. Ceci explique l’ensemble des observations (génération d’ondes « précurseurs » en amont du choc, distribution des échelles caractéristiques de variations des champs magnétiques et électriques, échelle caractéristique du changement de la température électronique pendant la traversée du front) [Krasnosselskikh et al., 2013]. Toujours sur cette thématique, la reconnexion magnétique à la magnétopause a été étudiée par des simulations cinétiques 3D [Markidis et al., 2014] et des données MMS [Li et al., 2016]. Ces dernières années, l’étude et la modélisation de l’interaction faisceau-plasmas et de la production d’ondes de Langmuir dans le vent solaire sont devenus un domaine de recherche particulièrement actif et productif au LPC2E [Krafft et al., 2015 ; Voshchepynets et al., 2015].

L’exploitation du sondeur WHISPER fourni par le LPC2E sur Cluster se poursuit, avec notamment des études sur le remplissage et le vidage de la plasmasphère [Lointier et al., 2013]. WHISPER fournit aussi à la communauté Cluster une mesure absolue très demandée de la densité électronique.

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