Voir le résumé
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.