Observation d’ondes plasmasphériques

La Figure 5.1a représente le spectrogramme des émissions naturelles vues par l’instrument WHISPER à bord du satellite C4 lors d’une traversée typique de plasmasphère.

Figure 5.1: a) Spectrogramme temps fréquence lors de la traversée du 13 Avril 2004. Les paramètres d’orbitographie sont donnés en coordonnées SM. b) Trajectoires des satellites sur la durée étudiée

c –d – e) Vue détaillée des différentes émissions observées, aux fréquences supérieures à la fréquence plasma f – g – h ) Vue détaillée des différentes émissions observées, aux fréquences inférieures à la fréquence plasma.

Comme l’orbitographie des satellites l’indique (Figure 5.1b), ceux-ci traversent les régions dipolaires entre 00h et 02h TU dans une configuration rapprochée. Les quatre satellites observent les mêmes émissions lors de cette traversée. Nous ne montrons ici que les données du satellite C4 car les données en mode naturel sur ce satellite ne sont pas perturbées par l’instrument actif EDI (Paschmann et al., 1997), qui ne fonctionne pas sur ce satellite.

Le spectrogramme de cette traversée de plasmasphère se présente sous la forme typique d’un « arbre de Noël » (émissions sous forme de branches entre gyroharmoniques). Les satellites traversent un domaine de latitudes allant de -28⁰ à 35⁰ dans le système de coordonnées SM, autour de 21h MLT. La fréquence plasma est représentée en blanc sur la Figure 5.1a. Nous pouvons remarquer les variations caractéristiques de celle-ci, atteignant la valeur maximale de 60 kHz à 01:07 TU lors de la traversée de l’équateur magnétique, puis sa diminution en allant vers la plasmathrough.

Plusieurs émissions naturelles sont observées lors de cette traversée. Une vue détaillée de chacune de ces émissions est représentée sur les panneaux c-h de la Figure 5.1. Des émissions électromagnétiques, telles que l’AKR (Auroral Kilometirc Radiation) entre 00:23 TU et 01:43 TU sous forme d’ondes sporadiques de haute fréquence (ici > 60 kHz) ou alors le Continuum non thermique (NTC), observé ici entre 60-80 kHz, de 00:55 à 01:10 TU (Grimald et al., 2007). Cette observation est associée à des émissions très intenses au-delà de la fréquence hybride haute fuh (voir Figure 5.1 d). A plus basse fréquence (ici < 6 kHz), nous pouvons observer du Chorus entre 00:30 TU et 02:10 TU (Parrot et al. 2003). Sont enfin observées sont enfin observées des émissions reliées aux modes propres du plasma (fp, fce, fq) qui font l’objet d’une étude plus approfondie dans ce travail.

Pour commencer, nous allons détailler les observations qui se font au dessus de la fréquence plasma fp. Comme on l’a vu, cette traversée de plasmasphère est sous la forme typique d’un « arbre de Noël ». Cette forme vient de la présence d’émissions naturelles sous forme de « branches », au dessus de la fréquence plasma. Ces émissions ont pour coupure haute les fréquences de Bernstein f_qn, et pour coupure basse une fréquence que nous appellerons f_co. Nous pouvons voir une vue détaillée de ces émissions sur le panneau c de la figure 5.1 ; celles-ci sont observées de part et d’autre de l’équateur magnétique jusqu’à des latitudes élevées. Leurs fréquences sont placées

- 92 - Données ondes et particules dans la plasmasphère Partie

3

ici entre 35 et 80 kHz. La variation des fréquences de coupure haute aux fqnn est reliée à la variation de la fréquence plasma et peut constituer un moyen de diagnostic de celle-ci (Trotignon et al., 2006).

Un autre type d’émissions est observé au dessus de la fréquence plasma fp sous la forme d’émissions intenses et au dessus de la fréquence hybride haute fuh. Ces émissions sont limitées dans la partie haute fréquence par la fréquence du mode de Bernstein fqn correspondant à l’harmonique contenant la fréquence hybride haute fuh.

Comme indiqué sur le spectrogramme de la Figure 5.1 et sur la vue détaillée du panneau d, celles-ci sont observées près de l’équateur magnétique et aussi à des latitudes plus élevées. L’intensité de ces ondes est ici supérieure d’un ordre de grandeur à l’intensité des ondes électrostatiques aux (n+½) f_ce observées au dessous de la fréquence plasma

avec une intensité de l’ordre de 4.10^-4 V_rms. Hz^-1/2. Comme rappelé dans le Chapitre 2 ces ondes peuvent être à l’origine de continuum non thermique tel que suggéré par Kurth et al., (1979, 1981), Rönmark, (1985).

Enfin, nous remarquons la présence d’émissions monochromatiques, bien définies en fréquence, se situant systématiquement au dessus de la fréquence plasma fp. Ces émissions se présentent sous la forme d’harmoniques et sont observées de part et d’autre de l’équateur magnétique. Quatre harmoniques sont observées dans l’hémisphère nord et une harmonique est observée dans l’hémisphère sud. Une de ces harmoniques (surlignée par la flèche blanche) est observée autour de 01:22 TU à une latitude de 9⁰ et entre 62-65 kHz (voir Figure 5.1e). Connaissant la valeur de la gyrofréquence fce (donnée par l’instrument FGM, Balogh et al., 2001), nous remarquons que ces émissions se superposent exactement aux harmoniques de fce. Leur intensité est de l’ordre de 3.8 10^-6 Vrms.Hz^-1/2. Ces émissions sont fortement modulées. Elles n’ont, à notre connaissance, jamais été observées auparavant, par contre elles ont été prédites par une théorie relativiste (Farrel, 2000). Nous verrons un peu plus en détail les caractéristiques de ces émissions à nfce dans la partie V.4. Une étude statistique sur l’occurrence de ces émissions sera présentée dans le Chapitre 6.

Les émissions observées en dessous de la fréquence plasma, f_p sont aussi reliées à la gyrofréquence f_ce, et sont en général observées entre deux gyrofréquences électroniques. Différentes formes spectrales apparaissent.

Tout d’abord des émissions à faible largeur de bande, cette fois-ci bien définies en fréquence (voir panneau f de la Figure 5.1), peuvent s’étendre sur les deux hémisphères. Nous voyons ici qu’elles apparaissent entre -8° et -3° de latitude magnétique, et entre 00:52 et 01:02 TU. Une seule harmonique est observée à une fréquence proche de 10 kHz: soit 1.1 fce. L’intensité de cette émission est de l’ordre de

1.2 10^-6 Vrms. Hz^-1/2. Ces émissions sont probablement reliées au type 3/2 fce étroits que nous avons décrites dans le Chapitre 2. Nous donnons plus de détails sur ces émissions dans la partie 5.3.

Un autre type d’émissions est observé à quelques degrés de latitude magnétique autour de 01 :07 TU sous forme de spot lumineux en dessous de la fréquence plasma f_p et entre 2 gyrofréquences électroniques successives (voir panneau g de la Figure 5.1). Ces émissions sont communément appelées (n+½)f_ce du fait du positionnement en fréquence. Celles-ci se trouvent confinées à quelques degrés de latitude autour de l’équateur magnétique et se présentent sous forme d’harmoniques. Leur intensité est plus élevée que celle des émissions à n(1.1)f_{ce .} Elle est de l’ordre de 3. 10^-5 V_rms.Hz^-1/2 pour la première harmonique qui est généralement la plus intense. Nous pouvons aussi noter le feuilletage de ces émissions équatoriales. Nous détaillerons leurs caractéristiques spectrales dans la partie 5. 2 .

Enfin nous citons les émissions qui apparaissent sous forme diffuse entre deux gyrofréquences électroniques successives (voir Figure 5.1g). L’intensité de ces émissions est faible de l’ordre de quelques 10^-7 Vrms. Hz^-1/2. Ces émissions sont observées entre 01:34 et 01:47 TU dans l’hémisphère nord et s’étendent à des latitudes magnétiques élevées comprises entre 17° et 27° de latitude magnétique. Elles sont aussi observée dans l’hémisphère sud entre 00:13 et 00:43 TU. Ces émissions ne sont pas bien définies en fréquence, d’où la dénomination de bandes diffuses. Comme on l’a vu dans le Chapitre 2, celle-ci sont probablement liées à la présence d’anisotropie de température (Ashour Abdalla et Kennel, 1978 a et b).

Nous nous intéressons plus particulièrement dans cette thèse aux ondes observées à nf_ce, qui ont été observées pour la première fois par l’instrument WHISPER, et aux ondes à n(1.1) f_ce et (n+½) f_ce observées en dessous de la fréquence plasma f_p.

Nous allons d’abord détailler les caractéristiques des émissions équatoriales aux (n+½)f_ce.

- 94 - Données ondes et particules dans la plasmasphère Partie

3