Validation statistique des indices

Afin de valider l’algorithme de calcul et de s’assurer que les indices reproduisent convenablement l’activité magnétique globale terrestre, comme le faisait les indices planétaires historiques, nous avons moyenné les nouveaux indices 15 sur 3h (ou 180 pour 180 min) afin de les comparer avec l’indice

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historique am. Les résultats statistiques sur la période 2000-2009 montrent bien un comportement identique entre les am et les 180, lorsque l’on traite les données par niveaux d’activité magnétique (voir Figure 7, Chambodut et al., 2015). Un fit linéaire est obtenu entre les deux jeux d’indices, mais les amplitudes de am sont toujours un facteur 3 supérieur aux amplitudes de 180. Cette différence s’explique notamment par les méthodes de calcul propres à chaque indice : la moyenne quadratique pour l’indice  qui va avoir tendance à lisser les variations contre l’amplitude crête-crête maximale sur un intervalle de 3h pour l’indice am qui donne ainsi plus de poids aux grandes variations. Du fait de ces variations importantes d’amplitude entre les deux jeux d’indices, nous avons également voulu vérifier que l’indice  restait valide durant les événements intenses de type orage magnétique, pour lesquels de très forts niveaux d’activité et des variations temporelles rapides sont observés. Avec l’aide d’Etienne Foucault (alors en stage de M2R avec moi, Février-Juillet 2015), nous avons identifié dans la littérature des listes de ICMEs (pour Interplanetary Coronal Mass Ejections) et de CIRs ayant impacté la Terre durant 2000-2009 et nous avons effectué une analyse en époque superposée (SEA pour Superposed Epoch Analysis) des indices 15, 60, 180 et am pour ces événements. Une analyse en époque superposée consiste à aligner l’ensemble des événements sur une base de temps commune avec le même instant 0, correspondant à l’instant initial propre à chaque événement, puis de moyenner le paramètre à étudier sur tous les événements à chaque instant, afin d’avoir le comportement moyen de ce paramètre.

Figure 5.8 - Analyses en époque superposée (SEA) pour les ICMES (en haut) et les CIRs (en bas) sur la période 2000-2009. Les deux lignes pointillées représentent l’intervalle de confiance à 2. De gauche à droite : SEA obtenue pour 𝛼15, 𝛼30, 𝛼180 et am (les indices 𝛼 sont multipliés par 3) (d’après

Chambodut et al., 2015).

Les résultats de cette analyse sont présentés en Figure 5.8 pour les ICMEs en haut et pour les CIRs en bas et montrent sans ambiguïté que les deux jeux d’indices ont un comportement extrêmement similaire. Enfin, en réétudiant les mêmes orages magnétiques que ceux étudiés dans Chambodut et al. (2013) avec

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les a, il est clairement apparu que le suivi de l’activité magnétique nécessitait une résolution temporelle de 15 min pour discriminer entre différentes sous-structures à l’intérieur d’un même orage (voir Figure 10, Chambodut et al., 2015). Le tracé séparé des 15nord et 15sud a également montré une différence de comportement importante entre les deux hémisphères, confirmant des études antérieures (Cliver et al., 2000 ; Häkkinen et al., 2003) où l’activité magnétique dans l’hémisphère sud est systématiquement plus faible que dans l’hémisphère nord, mais pour lesquelles il n’existe pas d’explication complètement satisfaisante aujourd’hui. Pendant son stage de M2R, Etienne a vérifié que la différence d’amplitude observée entre les deux hémisphères ne venait pas d’un réseau sous-dense dans l’hémisphère sud. En réduisant progressivement le nombre de stations dans l’hémisphère nord, il a montré que le niveau d’activité magnétique restait plus élevé dans l’hémisphère nord que dans l’hémisphère sud.

En conclusion de cette étude, nous avons développé de nouveaux indices et montré qu’ils décrivaient bien l’activité magnétique globale terrestre mais avec une meilleure résolution temporelle que l’on peut choisir (entre 15 min et 3 h).

5.4.3 « Sectorialisation » des indices 

Etienne Foucault a également travaillé à un prototypage de la « sectorialisation » des indices magnétiques en secteurs de MLT. En effectuant des analyses en époque superposées des indices  en fonction du temps 0 de l’événement mais en tenant compte aussi du MLT, il a pu montrer que les 

réagissaient avec des constantes de temps et d’amplitude différentes à différents MLTs. Ces résultats sont encore plus flagrants pour les orages magnétiques déclenchés par les CIRs et les ICMEs (voir Figure 5.9 dans le cas des CIRs).

Figure 5.9 - Analyses en époques superposées pour l’hémisphère nord sur les événements de type CIRs. Haut : pour l’15nord moyen (vert) et spliné (bleu). 2 panneaux centraux : pour les splines cubiques en fonction de la longitude magnétique et en fonction du MLT. 2 panneaux du bas : toujours

en fonction du MLT mais en moyennant sur 1h et 6h MLT les splines cubiques.

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Cette figure montre clairement qu’aucune organisation de l’activité magnétique ne ressort lorsqu’on fait cette analyse SEA en fonction de la longitude magnétique (deuxième panneau depuis le haut, Figure 5.9) mais qu’une organisation en fonction du MLT est beaucoup plus flagrante (troisième panneau depuis le haut, Figure 5.9) avec une initiation de l’activité magnétique autour de 23-1h MLT et une propagation vers les côtés 6h MLT « dawn » et 18h MLT « dusk », quelques heures après l’impact de la CIR. L’activité restant toujours beaucoup plus faible côté 12h MLT « noon ». La saison a également un effet important sur la propagation de l’événement avec un impact quasi-simultané à tous les MLT en solstice d’été contre une propagation beaucoup plus progressive depuis le côté nuit vers le côté jour en solstice d’hiver (Figure non montrée). Ces résultats nous ont confortés dans l’intérêt d’envisager une « sectorialisation » des . Dans cette étude en SEA, Etienne a également regardé l’impact de la sectorialisation en fonction de la finesse avec laquelle les secteurs de MLT sont définis. Les fonctions splines cubiques ayant été défini avec une résolution de 1° en longitude magnétique (MLON), il était possible d’aller jusqu’à une résolution de 1/15ème d’heure en MLT (troisième panneau depuis le haut, Figure 5.9), en réduisant cette résolution en MLT à 1h et à 6h en MLT (deux panneaux du bas, Figure 5.9), on voit qu’une différence entre secteurs de MLT reste flagrante même avec la résolution la plus grossière.

Cependant, d’autres résultats nous ont fait nous interroger sur la validité des fonctions splines cubiques utilisées pour le calcul des . En effet, Etienne a pu montrer que les fonctions splines cubiques pouvaient potentiellement « générer » du signal artificiel, là où l’espacement entre les stations est trop grand, en particulier dans l’hémisphère sud. Il a également montré que l’utilisation d’autres fonctions pour assurer l’interpolation en longitude, telles que les séries de Fourier, pouvait conduire à des résultats similaires mais avec une plus grande souplesse (e.g. choix variable du nombre de coefficients). Les pistes de développements poursuivies actuellement seront partiellement présentées dans la section 6.3.