Matthieu a défendu sa thèse devant un jury international composé de Sébastien Célestin (Maître de Conférence – Université d’Orléans), Thomas Farges (Chercheur CEA – DAM – DIF, Arpajon), Yasuhide Hobara (Prof. University of Electro-Communications of Tokyo – Japan), Serge Soula (Prof. Université Paul Sabatier, Toulouse), Nathalie Huret (Prof. Université Clermont-Auvergne), Martin Fullekrug (Doctor Reader University of Bath – UK), Zdeněk Bonaventura (Assistant Professor Mazaryk University – Czech Republic), Jean-Louis Pinçon (Chercheur CNRS LPC2E).
Résumé de la thèse :
Les événements lumineux transitoires (TLE) sont des événements brefs et lumineux se produisant au-dessus des orages. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons particulièrement aux sprites.
Ils sont composés de filaments de plasma, appelés streamers, qui se propagent par l’ionisation locale du milieu. Les sprites se produisent suite à l’établissement d’une connexion électrique entre le nuage d’orage et le sol générant un déséquilibre soudain des charges électriques entre le nuage et l’ionosphère. Le champ électrostatique ainsi induit augmente l’énergie des électrons présents dans les couches supérieures de l’atmosphère terrestre déclenchant l’apparition de streamers, lesquels génèrent des processus d’ionisation et d’émission radiative souvent perçues comme rougeâtres entre 40 et 90 km d’altitude.
Plusieurs missions spatiales ont adopté des stratégies d’observation au nadir. Cependant, cette géométrie entraîne une perte de la résolution verticale. Afin de surmonter cet inconvénient, nous proposons dans cette thèse, une méthode pour déterminer l’altitude et le champ électrique associés aux sprites à partir de leurs émissions optiques. Pour cela, nous avons développé un code plasma fluide modélisant les décharges de streamers. Le code résout l’équation de Poisson pour obtenir le champ électrostatique, l’équation de dérive-diffusion pour le mouvement des espèces chargées, la méthode SP3 à trois groupes pour les processus de photo-ionisation ainsi que l’ionisation et l’attachement des électrons. Afin de prédire les émissions optiques que les sprites produisent, nous modélisons la production d’états électroniques excités du diazote et de son ion positif. Nous utilisons également le modèle d’antenne d’Uman pour estimer les émissions radio des streamers de sprites.
Avec ce modèle, nous étudions l’applicabilité d’une méthode permettant de déterminer l’altitude et le champ électrique d’un streamer à partir d’observations spectrophotométriques. Une comparaison entre des simulations et des données satellitaires montrent que cette méthode peut être utilisée pour analyser les observations réalisées au nadir depuis l’espace. Les limitations de cette approche ont été étudiées au travers de la simulation de la propagation de streamers sur plusieurs hauteurs d’échelles et de l’influence du taux caractéristique d’expansion exponentielle en fonction de la taille de l’inhomogénéité initiale.
De plus, nous avons étudié les signatures radio dans la bande HF-VHF lors de la collision frontale entre deux streamers de polarités opposées. En négligeant le filtrage ionosphérique, nous avons montré que l’instrument TARANIS IME-HF aurait pu observer de telles émissions. De plus, nous montrons que le radiotélescope NenuFAR est également capable de faire de telles observations depuis le sol.