4.4 Signature des dipolarisations en région aurorale
4.4.1 Les données
Pour cette étude nous avons tenté d’utiliser tous les moyens sol disponibles : (i) les don- nées de caméras plein ciel du réseau THEMIS (annexe F) ; (ii) les magnétomètres en région aurorale, sub-aurorale et à moyenne lattitude de la Scandinavie à l’Alaska. Les données ma- gnétiques proviennent des réseaux THEMIS, SUPERMAG et IMAGE (annexe G).
Figure 4.11 :Zoom sur les dipolarisations n°6.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
Figure 4.12 : Position normalisée des satellites dans la couche de courant en fonction de la dif-
férence de pression totale normalisée avant/après la dipolarisation, pour chaque évènement(voir équation 5.4 pour le calcul de Blobe). Les évènements biaisés à cause du mouvement des satellites vers ou s’éloignant de la Terre ne sont pas représentés.
4.4.2 Les imageurs
La figure 4.14 regroupe plusieurs types de données sol : les magnétogrammes et les kéo- grammes. D’après la figure 4.2 et en fonction des caméras disponibles (peu de nuages, Lune faiblement détectée ...) nous avons choisi de présenter uniquement les kéogrammes des sta- tions KUUJ (est) RANK (centrale nord), GILL (centrale sud) et SNAP (ouest).
Le panneau 4.14a montre la composante BZ,GSM pour connaître le timing entre les données
sol et les dipolarisations. En complément, la figure F.7 en annexe donne l’intensité lumineuse totale détectée par les caméras pour ces quatre stations.
4.4.2.1 KUUJ
Le kéogramme de la station kuuj (figure 4.14b) montre une bande de haute intensité lumineuse à basse altitude (< −45°). Il s’agit de pollution lumineuse au sud est de la station, peut-être liée au reflet de la lune sur les nuages. Toutes les intensifications apparaissant en vert ou rouge inférieures à +45° d’altitude sont des nuages en mouvement. Dans la partie la plus au nord ∼ 60° en rouge sont détectés des morceaux d’arcs à partir de 2h24. Au même endroit se superpose une bande verte correspondant à la détection de la Lune. Sur les courbes d’intensité totale (annexe F.7) plusieurs intensifications sont détectées : à 2h24, 3h06, et 3h27. Vers 5h30, on voit une brève intensification correspondant à la dipolarisation n°5.
4.4.2.2 RANK
De la pollution lumineuse est détectée par la station RANK en dessous de ∼ −50°/−60° (figure 4.14c), constante sur toute la période. Mélangé avec cette pollution et s’étendant un peu plus au nord, le dégradé rouge/jaune correspond à des arcs auroraux. Au nord de RANK, ∼ +70° une bande verte continue est visible, il s’agit de la Lune. Autour de cette bande apparaissent quelques intensifications (vertes) quand des nuages reflètent sa lumière. Sur les périodes 5h-6h et 6h30-8h, l’expansion des aurores est nette. Sur les courbes d’intensité totales, de fortes intensifications sont détectées à : 4h11, 5h04 et 6h21 (annexe F.7). Les images enregistrées toutes les minutes par la caméra plein ciel sont disponibles dans l’annexe F.1.
4.4.2.3 GILL
La station GILL détecte une forte intensité lumineuse uniquement au dessus de +50° d’altitude (figure 4.14d). Dans cette zone un arc auroral peu intense est mélangé avec le reflet de la lune sur des nuages diffus. Les courbes d’intensité totales ne sont pas utilisables.
4.4.2.4 SNAP
De 4h à 5h la station SNAP n’observe que des nuages (figure 4.14e). A partir de 5h, autour de 0° d’altitude un arc se développe. Au nord vers +45°, il n’y a que des nuages. A partir de 6h30, au centre du kéogramme (∼ 0°), l’arc qui s’était atténué se ré-intensifie. Au même moment à l’extrême nord et l’extrême sud de la station apparaît de la pollution lumineuse. A partir de 8h des nuages viennent se superposer aux arcs pour ne plus laisser
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
que des nuages à partir de 8h30. De fortes intensifications sont détectées à 6h19, 7h49, et 8h25 (d’après la figure F.7). Les images enregistrées toutes les minutes par la caméra plein ciel sont disponibles dans l’annexe F.2.
D’après les données des quatre stations, les dipolarisations n°5 et n°6 semblent être celles qui ont le plus d’impact en région aurorale.
4.4.3 Les magnétogrammes
La figure 4.15 représente une chaîne de magnétogrammes en région aurorale et sub- aurorale étendue en longitude (réseau THEMIS). Toutes les données ont été mises à la même échelle [-100 100]nT. La station la plus à l’est est NRSQ (figure 4.15 en bas), elle détecte de faibles variations (<50nT) en Z correspondants au deux premières dipolarisations. Elles sont aussi détectées sur la station PANG (∆Z ∼ 50nT ). Les effets de la dipolarisation n°3 sont difficiles à identifier car ils se superposent aux effets de la n°2. La dipolarisation n°4 semble extrêmement localisée, un pic négatif d’environ 100nT n’est observé que sur la station CDRT. Les dipolarisations n°5 et 6 sont plus étendues car elles sont détectés sur trois sta- tions : CDRT, RANK et SNAP. Leur ∆H est supérieur à 50nT sur au moins deux stations. Les dipolarisations n°7 et 8 entraînent une forte perturbation ∼ 80nT sur la station SNAP. De très faibles variations sont enregistrées dans la composante Z sur la station FSIM.
En annexe G sont reportés les résultats pour les autres réseaux utilisés. Aucun lien n’a pu être fait entre les dipolarisations et les observations en Scandinavie ou en Islande. Les trois premières dipolarisations peuvent être reliées à des variations détectées au Groenland, dans la région du Labrador et sur la baie d’Hudson (exceptée la n°3 pour cette dernière région). La dipolarisation n°4 est extrêmement localisée puisqu’elle n’est détectée que sur trois stations (IQA, CDRT et Danikiluaq).
Les dipolarisations n°5 et 6 sont effectivement les plus étendues puisqu’elles sont détectées du Groenland jusqu’au centre du Canada avec une amplitude dépassant les 100 nT sur cer- taines stations. Les deux dernières dipolarisations sont détectées avec de faibles amplitudes dans la baie d’Hudson. Leurs signatures sont claires au centre du Canada mais on ne détecte que la dernière en Alaska.
La synthèse des observations au sol est illustrée sur les figures de 4.16 à 4.23. Ces cartes correspondent à un moment précis au cours des évènements, pour avoir une vision globale de l’évènement il faut visionner les films. Les zones de couleurs découlent de l’examen de ces derniers et donne l’étendue des perturbations au sol. Les flèches sont obtenues à partir du champ magnétique horizontal auquel on a fait subir une rotation de 90° dans le sens horaire et donnent une indication approximative de l’intensité et de la direction courants horizontaux qui circulent dans l’ionosphère. Les contours dessinés à la main encerclent les stations concernées pour trois valeurs seuil :
– vert : ∆B > 20 nT, – orange : ∆B > 40 nT, – rouge : ∆B > 80 nT.
Figure 4.14 : Kéogrammes et magnétogrammes des stations KUUJ, RANK, GILL et SNAP le 31
mars 2009]. (a) Composante BZ du champ magnétique de tous les THEMIS (A : magenta, B : rouge, C : vert, D : cyan, E : violet. Les panneaux (b), (c), (d) et (e) représentent respectivement les kéogrammes pour les stations KUUJ, RANK, GILL, SNAP (voir annexe B.1). Les caméras ont un champ de vue supérieur à 170°, [Harris et al., 2008]. Les panneaux (f), (g), (h), (i) représentent respectivement les magnétogrammes pour les stations KUUJ, RANK, GILL, SNAP, dans les trois composantes du système de coordonnées HDZ.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
Figure 4.15 :Chaîne de magnétogrammes étendue en longitude le 31 Mars 2009. Les données ont
été modifiées pour que toutes les composantes magnétiques puissent apparaitre sur le même panneau. Nous avons soustrait la valeur moyenne calculée sur toute la période présentée, à chaque composante, ex : H = Hinitial− mean(Hinitial). La station BRW est la station la plus à l’ouest, NRSQ la plus à
Figure 4.16 :Synthèse des observations pour la dipolarisation n°1.
Il apparaît clairement que les dipolarisations n°5 et 6 sont les plus étendues en longitude. Les évènements n°3 et 4 sont au contraire très localisés, affectant un secteur de l’ordre de 1,5 heures MLT. Les autres ont une étendue de l’ordre de 2 à 3 heures MLT.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
Figure 4.18 :Synthèse des observations pour la dipolarisation n°3.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
Figure 4.20 :Synthèse des observations pour la dipolarisation n°5.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
Figure 4.22 :Synthèse des observations pour la dipolarisation n°7.
4.4. Signature des dipolarisations en région aurorale
4.4.4 Interprétation
La figure 4.24 représente l’étendue en longitude des perturbations magnétiques en fonc- tion le la moyenne de ∆BZ entre les satellites THEMIS D et E. Nous avons choisi ces derniers
car ils restent proches de la couche de plasma centrale pour toute la période étudiée. La cor- rélation positive entre l’augmentation de BZ et l’étendue en longitude de l’électrojet auroral
est naturelle dès lors que l’on considère que :
– les dipolarisations sont associées à des réductions du courant à travers la queue ; – la région de réduction de courant a une longueur finie dans la direction transverse (selon
Y) ;
– le courant interrompu se ferme à travers l’électrojet auroral, l’étendue en longitude de ce dernier étant corrélée avec l’étendue transverse (en Y) de région de réduction de courant dans la queue.
L’amplitude des signatures de la réduction dépend de l’échelle transverse de la région de réduction. C’est ce qui apparait immédiatement en considérant l’intégration de la loi de Biot et Savart sur une extension finie en Y :
~ B(~r) = µ0 4π Z Lx Z Ly Z Lz ~j(~r) × (~r − ~r0) |~r − ~r0|3 dxdydz (4.1)
sur une longueur finie en y. En effet, si dy est petit, BZ sera petit et vice et versa.
4.5 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons identifié des dipolarisations avec un ∆BZ de faible amplitude
ou de forte amplitude. Toutes ces dipolarisations sont comparables entre elles lorsque l’on s’intéresse à l’amplitude des fluctuations hautes fréquences et les écoulements associés. La seule différence entre les événements n°1-4 et n°5-8 est dans l’amplitude de ∆BZ et la durée
des fluctuations hautes fréquences.
Un point important mis en avant dans cette étude porte sur la pression totale associée aux dipolarisations qui semble dépendre de la position du satellite dans la couche de plasma. Ceci est vérifié pour tous les cas correspondant à un ∆BZ de forte amplitude. Miyashita
et al. [2009] ont montré, d’après une étude statistique réalisée avec Geotail, GOES et Polar sur plus de 3000 sous-orages, que la pression totale augmente dans la queue proche (X > -10 Rt) en association avec les dipolarisations, grâce à la contribution des particules énergétiques. Elle a par contre tendance à décroître considérablement entre −12 > X > −18R − T . La dépendance en fonction du point d’observation n’a pas été analysée. Le nombre de cas de ce chapitre étant trop faible pour tirer des conclusions, il faut donc mener une étude statistique sur la pression totale.
Une étude préliminaire des données au sol a montré que l’étendue de la dipolarisation en temps local semble jouer sur l’amplitude de ∆BZ.
4.5. Conclusion
Figure 4.24 : Etendue en longitude des perturbations magnétiques en fonction le la moyenne de
Analyse statistique des changements
associés aux dipolarisations dans la
couche de plasma.
5.1 Introduction
Les trois satellites A, D, et E de la mission THEMIS (∼ 10RT) permettent d’étudier la
dynamique du plasma et de la couche de courant à petite échelle. Grâce à une configuration particulière, qui consiste à avoir deux satellites positionnés de part et d’autre de la couche neutre, nous pouvons analyser l’épaisseur de la couche de courant, la densité de courant et la force de Laplace au passage d’une dipolarisation. Le but de cette étude est d’évaluer les changements de la couche de courant avant et après la dipolarisation en utilisant trois satel- lites (A, E et D) de la mission THEMIS. J’ai sélectionné tous les événements lorsque deux satellites sont à la même position dans le plan XYGSM mais séparés en ZGSM.
Les cas de cette étude statistique sont situés dans la région de transition entre la topologie magnétique de type dipolaire et de type queue (−12 < XGSM < −7). Le système SM (Solar
Magnetic) est le plus adapté pour la région dipolaire (magnétosphère interne) tandis que le GSM (Geocentric Solar Magnétic) est le plus adapté pour la queue magnétosphérique, (voir annexe D). Tous les résultats de cette étude seront donc présentés dans deux systèmes de coordonnées : GSM et SM. Nous les discuterons pour savoir quel système doit être utilisé.
Cette étude a été menée suite aux questions soulevées dans le chapitre précédent. Les résultats de cette étude ont fait l’objet d’un article [Palin et al., 2012].