5. Développements de nouveaux indices magnétiques
5.3 Proposition de « sectorialisation » des indices am : les indices a
A partir de ces travaux, nous avons montré que les modèles physiques et empiriques pourraient mieux décrire la dynamique des différentes régions de l’environnement spatial terrestre, s’ils utilisaient des indices magnétiques avec une meilleure résolution spatiale, temporelle ou les 2. C’est sur ce constat simple qu’à travers cette collaboration déjà engagée, Michel Menvielle (LATMOS), Aude Chambodut (EOST), Chantal Lathuillère (IPAG) et moi-même avons décidé de proposer de nouveaux indices permettant de mieux décrire l’activité magnétique terrestre. Nous avons été confortés dans notre démarche par le développement d’autres nouveaux indices magnétiques par plusieurs équipes internationales à peu près à la même période (Gannon and Love, 2011 ; Newell et Gjerloev, 2011a ; 2011b ; 2012 ; Nosé et al., 2012 ; Katus and Liemohn, 2013). Une partie de ce travail a été réalisée dans le cadre du projet FP7 ATMOP 2010-2013, mené par M. Menvielle.
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5.3.1 Réseau et algorithme
Dans un premier temps, pour simplifier le travail et pour s’assurer de l’intérêt d’une telle démarche, il nous est apparu judicieux de poursuivre nos développements autour des indices globaux les plus précis. Nous sommes donc repartis de l’indice am calculé par Mayaud en 1968. Par le passé, Menvielle et Paris (2001) avait déjà proposé de diviser l’indice global am en plusieurs indices locaux séparés en 5 secteurs distincts de longitude magnétique. Cette démarche d’amélioration de la résolution spatiale m’a paru intéressante mais j’ai proposé de poursuivre la « sectorialisation » des indices non pas en longitude mais en temps magnétique local, afin de prendre en compte l’organisation plus naturelle de l’activité magnétique en fonction d’un référentiel fixe Terre-Soleil, plutôt qu’en fonction d’un référentiel en rotation avec la Terre.
Figure 5.3 - A gauche : réseau de groupes de stations utilisés dans le calcul des a. A droite : méthodologie de calcul de l’indice aN (hémisphère nord) sur un intervalle de 3h : les 5 groupes de
stations en longitudes i avec leurs valeurs d’activité magnétique ai (diamants bleus) et la courbe interpolée a() (courbe grise pointillée), les différents secteurs de MLT (lignes rouges verticales) et
les aN calculés à chaque secteur de MLT considéré (lignes horizontales vertes) (adaptée de Chambodut et al., 2013).
L’algorithme de ces indices est présenté ci-après et est basé sur les indices K mesurés à chaque station. Par essence, la méthode de calcul des indices K rend impossible la réduction de la résolution temporelle qui reste donc à 3h, mais il est par contre possible de subdiviser ces indices en secteur de temps magnétiques locaux. Les stations sont réparties en cinq groupes dans l’hémisphère nord et en 4 groupes dans l’hémisphère sud (3 avant 1979). La longitude moyenne associée à chaque groupe de stations est ensuite calculée pour chaque intervalle de 3h, les indices K mesurés aux observatoires de chaque groupe sont moyennés, menant aux indices intermédiaires Ki. Les indices Ki sont ensuite reconvertis en amplitude pour obtenir les indices ai exprimés en nT. Pour chaque intervalle de 3h, les indices ai sont linéairement interpolés sur chaque hémisphère indépendamment pour obtenir la courbe a() présentée sur le panneau de droite de la Figure 5.3. Cette courbe représente donc une approximation au premier ordre de la variation de l’intensité de l’activité magnétique en fonction de la longitude. Nous avons ensuite défini 4 secteurs de MLT, de 90° d’extension, fixes par rapport à l’axe Terre-Soleil et centrés sur 6h (dawn), 12h (noon), 18 h (dusk) et 00h (midnight) MLT. Les observatoires magnétiques dérivent donc au cours d’une journée, se retrouvant successivement dans chacun des 4 secteurs MLT. Dans
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chaque hémisphère, la moyenne des a entre les limites de longitudes définies pour chaque secteur de MLT, représente les indices sectoriels hémisphériques. Les indices sectoriels finaux correspondent à la moyenne entre les indices sectoriels de chaque hémisphère. Malgré les limitations associées à un tel calcul : groupe de stations fixes au cours du temps, faible résolution temporelle, faible résolution spatiale en particulier dans l’hémisphère sud, il est possible de dériver une série homogène et continue d’indices a identique à celle de l’indice am, de 1959 à nos jours (Chambodut et al., 2013).
5.3.2 Premiers résultats de ces indices a
Nous avons étudié de de manière statistique et pour des cas bien documentés d’orages magnétiques, la réponse de ces indices. Statistiquement, les indices sectoriels se comportent de manière similaire aux indices globaux, en fonction du jour de l’année (doy for ‘day of year’) et du temps UT avec une augmentation caractéristique aux équinoxes et sur le secteur 18h-3h UT. La cause de cette variation semi-annuelle et diurne reste encore aujourd’hui mal expliquée (e.g. Hundhausen et al., 1971 ; Russell et McPherron, 1973 ; Crooker and Siscoe, 1986 ; Cliver et al., 2000 ; Lyatsky et al., 2001 ; O’Brien and McPherron, 2002 ; Svalgaard, 2011). Il est cependant ressorti clairement que l’activité magnétique est globalement plus faible sur les secteurs « noon » et « dawn » et beaucoup plus intense sur les secteurs « dusk » et « midnight » dès que l’activité magnétique dépasse environ 20 nT.
Figure 5.4 : Paramètres du vent solaire et indices géomagnétiques pour les deux orages magnétiques du 29 mai 2003 (à gauche) et du 27 juillet 2004 (à droite). Du haut vers le bas: la pression (bleu) et la
vitesse (vert) du vent solaire, les composantes Y (rouge) et Z (bleu) de l’IMF en coordonnées GSM, l’indice am (vert foncé), et les 4 indices sectoriels a (noir : minuit, bleu : matin, rouge : midi, vert :
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Les indices sectoriels associés à certains orages magnétiques ont également montré des réponses différentiées entre les différents secteurs de MLT, comme le montre la Figure 5.4 présentant deux orages différents. Ces deux orages montrent que l’activité magnétique est variable en fonction du secteur de temps local : avec une activité amplifiée du secteur « noon » lorsque la composante Bz de l’IMF est négative et avec globalement une activité plus forte côtés « midnight » et « dusk » que côté « dawn », comme déjà identifié statistiquement. Cependant du fait de la faible résolution temporelle de ces indices, il est difficile d’obtenir des résultats précis sur le comportement de chaque secteur de MLT en fonction des caractéristiques de l’orage étudié, en particulier, il n’est pas possible de déterminer dans quel secteur l’orage se déclenche et comment il se propage en MLT. Ces indices présentent cependant plusieurs intérêts. Ils seront utiles pour les géophysiciens du champ magnétique interne, car ils permettront de déterminer les périodes calmes utilisées dans la détermination du champ interne sur chaque secteur de MLT et non plus globalement, et donc de rejeter a priori moins d’intervalles « agités ». Par ailleurs, du fait de l’utilisation de l’algorithme de calcul de am, ces indices ont pu être calculés rétroactivement depuis 1959 et permettent ainsi de regarder le comportement statistique de ces indices sectoriels sur plus de 4 cycles solaires. Enfin, ils ont permis de montrer l’intérêt évident que pourrait avoir de tels indices sectoriels, s’ils étaient calculés avec une résolution temporelle bien meilleure. Ce sont ces résultats qui nous ont confortés dans la poursuite de ce travail sur des indices planétaires et sectoriels avec une meilleure résolution temporelle.