Dynamics of ion-scale coherent magnetic structures and coupling with whistler waves during substorms

Dans cette these, on propose un nouveau modele de couplage auto-coherent entre des structures magnetiques coherentes sur les echelles ioniques et des ondes dites de sifflement (whistlers, en anglais) a plus hautes frequences, afin d’interpreter les donnees experimentales recueillies par les satellites Cluster pendant un sous-orage magnetique dans la region nocturne de la magnetosphere terrestre. Le couplage fournit un mecanisme pour confiner et transporter les ondes whistlers par l’intermediaire d’ une onde nonlineaire qui se propage obliquement par rapport au champ magnetique. Cette etude s’appuie sur une analyse des donnees experimentales, sur une modelisation theorique ainsi que sur des simulations numeriques. Pendant les sous-orages magnetiques, la magnetosphere est soumise a de fortes perturbations magnetiques et electriques dans une vaste gamme de frequences, qui vont des basses frequences, inferieures ou de l’ordre de l’echelle temporelle typique ionique, aux hautes frequences, superieures ou de l’ordre de l’ echelle temporelle typique electronique. Afin de connaitre les processus physiques qui determinent la dynamique de la magnetosphere pendant les sous-orages, il est fondamental de comprendre si, et avec quel mechanisme, des couplages peuvent se produire entre des ondes qui se propagent sur des temps caracteristiques differents. Des structures magnetiques a basse frequence ont deja ete observees dans des regions comme la magnetogaine et le vent solaire, eventuellement associees a des ondes whistlers a plus haute frequence. Dans cette these, on montre que des structures similaires sont observees dans la couche de plasma a l’interieur de la magnetosphere. On s’interroge ensuite sur la facon dont l’inhomogeneite de telles structures peut influencer la propagation des ondes a plus haute frequence. Grâce a ses quatre satellites en configuration tetraedrique et a ses mesures a haute resolution temporelle, la mission Cluster nous offre une occasion unique de pouvoir analyser la structure spatiale des perturbations stationnaires (ou se propageant) et d’etudier la dynamique du plasma sur des echelles temporelles plus courtes, telles que celles des ondes whistlers. Ainsi, je decrirai les emissions d’ondes whistlers detectees par les satellites Cluster a l’interieur de structures magnetiques coherentes situees dans un ecoulement de plasma rapide pendant le sous-orage du 17 Aout 2003. Au cours de cette periode, les satellites Cluster sont situes dans la couche de plasma, separes d’une distance de l’ordre des echelles spatiales typiques ioniques(le rayon de giration ou la longueur d’inertie des ions). Les ondes whistlers sont correlees avec des structures magnetiques characterisees par un minimum du module du champ magnetique et un maximum de densite du plasma. Ces dernieres ont ete modelisees comme des ondes planes nonlineaires de type lent qui piegent et transportent les ondes whistlers. A partir d’une etude theorique et numerique en utilisant une approche bi-fluide, on peut alors reproduire les donnees observationnelles. Le role possible de telles structures couplees dans la physique des sous-orages est aussi discute. Ce nouveau mecanisme de piegeage, etudie ici en utilisant comme guide pour les whistlers une onde oblique de type magnetosonique, est d’interet plus general par rapport au contexte specifique des observations presentees dans cette these. En effet, d’autres ondes nonlineaires, comme par exemple les ondes d’ Alfven obliques ou d’ Alfven cinetiques dans les plasmas a beta fort (ou beta est le rapport de la pression thermique du plasma sur la pression magnetique), pourraient aussi transporter les whistlers. Ce modele de piegeage constitue aussi une explication alternative aux modeles existants qui considerent une inhomogeneite stationnaire sous la forme d’un canal de densite. Enfin, l’etude decrite dans cette these concerne des problematiques fondamentales en physique des plasmas, comme la propagation d’ondes dans les milieux inhomogenes et l’interaction entre modes sur des echelles temporelles differentes.