Les ceintures de radiation terrestres constituent un environnement radiatif naturel très dynamique, hostile à la plupart des satellites artificiels, et dont la modélisation physique demeure aujourd’hui encore imparfaite. Cette dynamique est généralement décrite par des codes numériques résolvant une équation de diffusion. Du fait des forts gradients dans l’espace de la fonction de distribution et de l’intense dynamique des ceintures de radiation, les méthodes numériques employées doivent être très robustes. Le code Salammbô 3D développé et perfectionné depuis de nombreuses années au sein du département Environnement Spatial de l’ONERA a acquis aujourd’hui une maturité reconnue internationalement. Il constitue aussi bien le modèle physique sur lequel s’appuie le développement des futurs modèles de spécification d’environnement, qu’un laboratoire virtuel d’observation et d’analyse des mécanismes physiques gouvernant la dynamique des ceintures de radiations.Salammbô 3D repose sur un schéma numérique de type explicite, différences finies. Ce schéma possède le principal avantage d’être simple à mettre en place de par sa formulation. Cependant, sa stabilité est limitée par la condition CFL. De plus, des termes de diffusion croisés rendent ce schéma instable. L’objectif de cette thèse est donc de développer et valider un nouveau coeur numérique au code Salammbô 3D en version implicite. Le but recherché est triple : (1) rendre le code plus robuste aux forts gradients spatiaux des différents termes de diffusion, (2) accélérer le code tout en conservant, voire améliorant sa précision, (3) prendre en compte les termes de diffusion croisés ignorés dans le cas d’un schéma explicite.Enfin, dans une dernière partie, il serait intéressant d’affiner le code implicite mis en place pour qu’il puisse répondre à deux problématiques physiques actuelles : (1) optimiser la résolution spatiale du modèle au niveau des orbites basses pour mieux reproduire l’environnement des satellites en LEO, et (2) estimer les précipitations de particules des ceintures de radiation dans l’atmosphère (intérêt supplémentaire des volumes finis).

Le 18 février 2021, l'astromobile de la NASA Perseverance se posera dans le cratère Jezero à la recherche de traces de vie passée. A son bord l'expérience franco-américaine SuperCam ne contient pas moins de quatre techniques spectroscopiques, une caméra haute résolution et un microphone. Ce microphone sera le premier à enregistrer des ondes acoustiques audibles à la surface de Mars entre 100 Hz et10 kHz. Il ouvrira un nouveau champ d'investigation qui fait l'objet de cette thèse. Les objectifs scientifiques de cette thèse s'organisent autour des sons qui seront audibles par ce microphone : les phénomènes atmosphériques dans l'environnement proche du véhicule et les bruits artificiels générés par SuperCam lui-même. Parmi ces derniers, la technique de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) ablate les roches et les sols martiens avec un laser impulsionnel, ce qui produit un signal acoustique lors de la détente de ce plasma. Ce manuscrit propose une étude amont qui vise à caractériser le support du microphone à la LIBS et sa contribution à la science atmosphérique. Ces deux thèmes sont explorés expérimentalement en reproduisant en laboratoire les conditions d'écoute que le microphone rencontrera sur Mars.Premièrement, un banc de mesure LIBS sous atmosphère martienne est utilisé pour comparer le signal acoustique issu de l'ablation de différents minéraux. Une étude métrologique a déterminé la sensibilité de l'énergie acoustique par rapport aux paramètres expérimentaux de la LIBS : elle est proportionnelle à la pression atmosphérique et à l'éclairement déposé sur la cible. Ces relations permettront de normaliser le signal acoustique entre toutes les cibles échantillonnées par la LIBS sur Mars. De plus il est remarqué que la décroissance de l'énergie acoustique au cours d'une séquence de tirs est linéairement reliée au volume de la cavité d'ablation et que le taux de décroissance est corrélé à la dureté de la roche. Volume d'ablation et dureté seront deux informations utilisées pour caractériser les cibles de SuperCam et en particulier étudier celles présentant des vernis d'altération en surface.D'autre part, une campagne de tests dans une soufflerie martienne est effectuée pour corréler les propriétés d'un écoulement de vent avec le signal acoustique induit par ce dernier sur le microphone. Il est démontré que le microphone peut déterminer la vitesse de l'écoulement en étudiant le contenu basse fréquence du spectre, mais aussi sa direction en regardant le contenu haute fréquence. Ces résultats nécessiteront une calibration in situ sur Mars avec la station météo de Perseverance, MEDA. Il est également montré que la synchronisation du microphone avec le laser permet une mesure originale de la vitesse du son et donc de la température atmosphérique proche de la surface.Enfin, cette validation des objectifs scientifiques du microphone s'accompagne d'un soutien au développement instrumental du microphone, avec la validation de ses performances, la définition des modes d'observation et la préparation des opérations de SuperCam à la surface de Mars.

Cette thèse porte sur le couplage mécanique entre le corps solide d’une planète et son atmosphère. Nous étudions les événements géophysiques naturels et anthropiques grâce aux ondes sismiques et infrasonores. Ces phénomènes sont clés pour découvrir la structure atmosphérique de la Terre, l’intérieur de Vénus, et Mars dans son intégralité.Les formes d’ondes acoustiques et sismiques contiennent des informations importantes, à la fois sur l’événement source et sur le milieu de propagation. L’objet de ce travail est double.Premièrement, nous développons un logiciel de simulation numérique pour le système couplé sol-atmosphère. Nous nous appuyons sur les équations linéarisées de Navier-Stokes pour modéliser l’atmosphère, et sur la visco-élasto dynamique pour modéliser le sous-sol.Nous utilisons la méthode des éléments finis spectraux discontinus, permettant la simulation complète des formes d’ondes. L’implémentation est validée à l’aide de deux techniques :les solutions analytiques et manufacturées. Le logiciel permet de modéliser tous les types de couplages air-sol, et prend en compte avec précision la propagation des ondes acoustiques et sismiques. Des topographies complexes peuvent être utilisées, ainsi que des modèles atmosphériques variant latéralement. Il est donc particulièrement bien adapté à l’étude de la plupart des phénomènes géophysiques dans les atmosphères planétaires. Parmi les exemples d’événements, nous pouvons citer les ondes sismiques, les microbaroms, les explosions souterraines ou aériennes, ou encore les ondes de gravité. Deuxièmement, nous étudions de nombreux cas d’application liés à la planétologie. En vue de l’exploration de l’intérieur de Vénus, nous menons des expériences terrestres dont le but est d’étudier les infrasons induits par les séismes, et utilisons notamment des instruments sous ballons. Nous montrons qu’il est possible de déduire les propriétés et la structure du sous-sol grâce à ces ondes infrasonores. Ces ballons instrumentés permettent également de localiser les événements au sol. Ce sujet est crucial pour l’exploration planétaire, mais également pour la surveillance de la Terre depuis l’atmosphère. Enfin, nous démontrons que des infrasons sont présents dans l’atmosphère de Mars, établissant pour la première fois l’existence d’infrasons sur une autre planète. Ceci est possible grâce au sismomètre SEIS d’InSight, capable de mesurer les infimes mouvements du sol causés par le passage des infrasons.

Depuis le début de la conquête spatiale démarrée en octobre 1957 avec le lancement du satellite Spoutnik-1 par l’ex-URSS, le nombre de satellites envoyés dans l’espace n’a cessé d’augmenter. Cependant, l’environnement spatial terrestre est un milieu hostile pour les satellites artificiels et leurs composants, en particulier à cause des ceintures de radiations peuplées de protons et d’électrons énergétiques. Le département DPHY de l’ONERA étudie les ceintures de radiations et développe des modèles afin de les modéliser, étudie leurs effets sur les équipements des satellites, et conçoit des moniteurs de radiations afin de disposer de mesures in-situ. Des modèles sont disponibles pour connaître l’énergie, le type et la localisation des particules dans les ceintures de radiations. Ils sont créés à partir des mesures faites par les moniteurs de radiations. Cependant, très peu de mesures de protons de faibles énergies (de quelques MeV) sont disponibles. Par ailleurs, les moniteurs de radiations mesurant plusieurs types de particules sur une grande gamme en énergie sont massifs et volumineux, et non adaptés pour être embarqués sur des petits satellites tels que les Cubesats. Les objectifs de cette thèse sont donc de développer une tête de détection capable de mesurer les protons de quelques MeV, et un moniteur de radiations miniaturisé pour mesurer simultanément l’énergie incidente des protons et des électrons. La première partie de cette thèse a été consacrée au développement de la tête de détection de protons de basses énergies compatible avec le moniteur ICARE-NG. La bonne mesure des protons de quelques MeV dépend de la capacité de la tête de détection à limiter la contribution des protons énergétiques et des électrons. Dans ce but, le blindage de la tête est constitué d’une structure sandwich Al-W-Al. Des aimants sont utilisés à l’entrée de la tête de détection afin de dévier les électrons, et le diamètre des diodes est optimisé pour réduire la contribution des protons énergétiques et des électrons. L’analyse des comptages prédits à l’aide des modèles AE-8 et AP-8 montre que l’électronique ne subira pas de saturation et que les protons de basses énergies seront correctement mesurés pour de grandes régions dans les ceintures de radiations. Enfin, le modèle d’essai de la tête de détection est fabriqué, et le modèle de vol sera embarqué sur deux satellites fabriqués par Airbus-DS début 2021. La deuxième partie de la thèse a été consacrée au développement de la tête de détection miniaturisée basée sur l’utilisation du Timepix. L’utilisation de la puce Timepix couplée à un blindage différentiel, ou bien dans un spectromètre magnétique n’ont pas été concluantes. Le traitement des données acquises par le Timepix à l’aide des réseaux de neurones à convolution est quant à lui intéressant et prometteur. Les réseaux de neurones à convolution développés durant cette thèse permettent de discriminer les protons et les électrons d’une part, et de déduire leur énergie incidente afin d’établir des gammes en énergie d’autre part. Ces réseaux sont entraînés sur des données simulées à l’aide de GEANT4, et leur application sur des données réelles acquises par l’instrument SATRAM présent sur le satellite Proba-V depuis 2013 mène à de meilleurs résultats que ceux obtenus jusqu’alors à l’aide d’autres méthodes. Ils permettent de discriminer correctement dans 95 % des cas les protons et les électrons, et d’établir des gammes en énergie proches de celles obtenues avec d’autres moniteurs de radiations, et ce avec un instrument de 380 grammes.

La thèse concerne la mission INSIGHT qui doit partir vers Mars en 2018. L'un des objectifs principaux est de déterminer l'état du noyau de la planète (liquide ou solide), notamment avec les mesures du sismomètre SEIS qui doit mesurer l'amplitude d'une des harmonique principales de la marée de Phobos. L'objectif de la thèse sera de modéliser les différents signaux d'intérêt (marée de Phobos et bruit de l'instrument) afin de retrouver le signal utile de la meilleure qualité possible. D'autres perturbations seront également étudiées comme le vent sur Mars ou d'autres sources de bruit environnemental. Un second objectif est de développer un code permettant de calculer les forces de marées sur des systèmes binaires, notamment d'astéroïdes de forme quelconques et en déduire les déplacements et contraintes en son sein.

Dans cette thèse, nous présentons des modèles appartenant au domaine de l’intelligence artificielle afin de prédire l’indice magnétique global am à partir des paramètres du vent solaire. Ceci est fait dans l’optique de fournir des modèles opérationnels basés sur les données enregistrées par le satellite ACE situé au point de Lagrange L1. L’indice am ne possède pas à l’heure actuelle de modèles de prédiction. Pour prédire cet indice, nous avons fait appel à des modèles non-linéaires que sont les réseaux de neurones, permettant de modéliser le comportement complexe et non-linéaire de la magnétosphère terrestre. Nous avons dans un premier temps travaillé sur le développement et l’optimisation des modèles de réseaux classiques comme le perceptron multi-couche. Ces modèles ont fait leurs preuves en météorologie spatiale pour prédire aussi bien des indices magnétiques spécifiques à des systèmes de courant comme l’indice Dst, caractéristique du courant annulaire, que des indices globaux comme l’indice Kp. Nous avons en particulier étudié un réseau temporel appelé Time Delay Neural Network (TDNN) et évalué sa capacité à prédire l’indice magnétique am à une heure, uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous avons analysé la sensibilité des performances des réseaux de neurones en considérant d’une part les données fournies par la base OMNI au niveau de l’onde de choc, et d’autre part des données obtenues par le satellite ACE en L1. Après avoir étudié la capacité de ces réseaux à prédire am, nous avons développé un réseau de neurones encore jamais utilisé en météorologie spatiale, le réseau Long Short Term Mermory ou LSTM. Ce réseau possède une mémoire à court et à long terme, et comme le TDNN, fournit des prédictions de l’indice am uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous l’avons optimisé afin de modéliser au mieux le comportement de la magnétosphère et avons ainsi obtenu de meilleures performances de prédiction de l'indice am par rapport à celles obtenues avec le TDNN. Nous avons souhaité continuer le développement et l’optimisation du LSTM en travaillant sur l’utilisation de fonctions de couplage en entrée de ce réseau de neurones, et sur le développement de réseaux multisorties pour prédire les indices magnétiques am sectoriels ou aσ, spécifiques à chaque secteur Temps Magnétique Local. Enfin, nous avons développé une nouvelle technique combinant réseau LSTM et processus gaussiens, afin de fournir une prédiction probabiliste jusqu’à six heures des indices magnétiques Dst et am. Cette méthode a été dans un premier temps développée pour l’indice magnétique Dst afin de pouvoir comparer les performances du modèle hybride à des modèles de référence, puis appliquée à l’indice magnétique am.

Les ceintures de radiation de la planète géante Jupiter sont constituées d’électrons, de protons et d’ions lourds de très haute énergie. Ces particules chargées représentent un risque majeur pour les satellites artificiels cherchant à explorer Jupiter. Dans le même temps, comprendre l’origine et la répartition de ces particules est une problématique fondamentale du domaine de la Physique de l’Espace. Le modèle physique Salammbô de l’ONERA répond aux deux enjeux précédents. Il a été développé pour le cas de la planète géante au cours de deux thèses successives qui se sont terminées en 2004 [Santos-Costa, 2001 ; Sicard, 2004]. Les travaux précédents ont permis de mettre en place un modèle d’électron qui s’étend de l’atmosphère de Jupiter jusqu’à l’orbite d’Europe (9 Rj) et un modèle de proton jusqu’à l’orbite de la lune volcanique Io (6 Rj). Depuis cette date, la mission américaine Galileo, qui fut en orbite autour de Jupiter jusqu’en 2003, a livré de nombreuses informations sur les ceintures de radiation et sur l’environnement qui influence celles-ci. Cette thèse revisite le modèle électron et étend le modèle proton jusqu’à l’orbite d’Europe. Cela permet, en particulier, de montrer que les ondes électromagnétiques se propageant entre les orbites des lunes Io et Europe induisent des pertes significatives de particules, celles-ci étant précipitées dans l’atmosphère de Jupiter. Les modèles proposés au cours de cette thèse sont également mieux à même de prédire l’environnement extrême et limitant des ceintures de radiation que les précédents travaux.

Les ceintures de radiation correspondent à la région de la magnétosphère dans laquelle se trouvent les particules de hautes énergies. Le couplage entre le vent solaire et la magnétosphère donne lieu à des variations des flux de particules sur plusieurs ordres de grandeurs. L’objectif de cette thèse est d’observer et caractériser ces variations de flux d’électrons au passage de différents types d’événements tels que les régions d’interaction en co-rotation (CIRs) et les éjections de masse coronale interplanétaires (ICMEs). Pour cela, nous avons traité et analysé les données de plusieurs types: paramètres du vent solaire, indices géomagnétiques et flux d’électrons dans les ceintures de radiation. Dans les trois premiers chapitres, nous rendons compte de la complexité de l’environnement spatial Terrestre et présentons les différentes données utilisées. Les travaux de thèse sont ensuite organisés en quatre chapitres. Premièrement, nous utilisons les mesures des satellites NOAA-POES afin de caractériser les flux d’électrons dans les ceintures. Nous étudions ensuite les différences de variations de flux causées par les CIRs et les ICMEs en fonction de l’énergie des électrons et du paramètre L*. Après avoir montré le fort lien entre les intensités d’orages magnétiques et les variations de flux, nous nous focalisons sur les ICMEs et la variabilité des orages qu’elles causent. Enfin, nous insistons sur l’importance des enchaînements d’événements. Après avoir quantifié la forte tendance qu’ont les ICMEs à former des séquences, nous réalisons une étude statistique sur les orages qu’elles causent, puis trois études de cas afin d’illustrer leurs effets sur les ceintures.

Depuis le début de l’ère spatiale avec le lancement du satellite Spoutnik 1 en 1957, les ceintures de radiation terrestres n’ont cessé de faire l’objet d’études du fait de leur dangerosité pour les satellites mais aussi pour l’être humain. En effet, lors d’une forte activité solaire, l’injection de particules dans cet environnement radiatif peut induire des flux jusqu’à 1000 fois plus élevés que par temps calme. Par conséquent, il est important d’en comprendre la physique ainsi que la dynamique au cours de ce que l’on appelle un orage géomagnétique. Dans ce but, le Département Physique Instrumentation Environnement et Espace (DPhIEE) de l’ONERA développe depuis maintenant plus de 20 ans la famille de modèles Salammbô reproduisant de façon robuste et en trois dimensions la dynamique des particules piégées dans ces ceintures. Néanmoins, bien que précis au-delà d’environ 100 keV, la physique et les hypothèses prises en compte dans ce modèle restent insuffisantes en deçà. En effet, aux basses énergies, les ceintures de radiation ne peuvent plus être considérées comme homogènes autour de la Terre. L’objectif de cette thèse a donc été de prendre en compte une quatrième dimension, le temps magnétique local (MLT), afin de mieux reproduire l’évolution des structures fines lors d’un orage géomagnétique. La première partie s’est portée sur l’optimisation du schéma numérique. L’ajout d’une quatrième dimension induit, via l’apparition d’un terme d’advection, une forte diffusion numérique qu’il convient de limiter, tout en tenant compte du temps de calcul. L’équation statistique implémentée a alors été discrétisée selon un schéma de type Beam-Warming du second ordre couplé à un limiteur Superbee, garantissant une propagation satisfaisante de la distribution initiale. Une fois les problèmes numériques maitrisés, les différents mécanismes physiques pilotant la dynamique des particules piégées ont été implémentés dans le code, avec une attention toute particulière sur la dépendance en MLT de l’interaction onde-particule. La prise en compte des champs électriques magnétosphériques fut également nécessaire. En effet, ils constituent l’un des moteurs principaux du mouvement des particules de basses énergies. Le modèle Salammbô 4D a ensuite été validé par comparaison avec le modèle 3D déjà existant sur une simulation de l’orage magnétique de Mars 2015. Les résultats ont montré une bonne restitution de la dynamique des ceintures de radiation, avec en plus l’accès à la phase principale de l’orage. Cet évènement a ensuite été modélisé à plus basse énergie pour constater la dynamique asymétrique des électrons piégés avec le rôle prépondérant du champ électrique de convection. La comparaison avec les données du satellite THEMIS a montré une bonne modélisation des différents processus physiques, notamment celui de « dropout » par traversée de la magnétopause. Enfin, la mise en place d’une condition limite dynamique modulée par les paramètres du vent solaire et dépendante du MLT ouvre de nombreuses perspectives.

Cette étude s’inscrit dans le domaine de la description de la dynamique des ceintures de radiation terrestres. Elle consiste à modéliser le phénomène de diffusion radiale en travaillant avec une résolution spatio-temporelle plus fine que celle utilisée pour décrire la dynamique des ceintures par le biais d’une équation de diffusion. La démarche s’est organisée en trois temps. Tout d’abord, l’objectif a été d’étudier le phénomène de diffusion radiale d’un point de vue théorique afin de mettre en lumière les principaux pilotes du processus et d’expliciter une formulation des coefficients de diffusion radiale. Une fois l’expression de ces coefficients établie, l’objectif a ensuite été de les quantifier. Pour cela, nous avons développé des protocoles analytiques et numériques puis des protocoles expérimentaux. Nous avons discuté les résultats obtenus ainsi que les atouts et les limites de ces protocoles. Cette étude met en évidence le rôle central de l’asymétrie des variations du champ électromagnétique et des champs électriques induits dans le processus de diffusion radiale. Elle propose des pistes pour la quantification numérique et expérimentale de ces deux pilotes. Elle apporte également un regard critique sur les travaux de la littérature. Elle ouvre la voie pour une nouvelle quantification des coefficients de diffusion basée sur une modélisation adéquate de la dynamique de l’environnement électromagnétique