Study of the terrestrial magnetosphere by multipoint data analysis with the CLUSTER mission. Contributions to the characterization of boundary layers and of the inner magnetosphere
Etude de la magnétosphère terrestre par l'analyse multipoint des données de la mission CLUSTER. Contributions à la caractérisation des frontières et de la magnétosphère interne
Résumé
CLUSTER is the first space mission dedicated to the three-dimensional study of the terrestrial magnetosphere. Its polar orbit and four spacecraft tetrahedron formation allow it to make in situ measurements in various regions of the magnetosphere, in particular in the plasmasphere. This PhD thesis brings together several studies on plasma structures encountered by the CLUSTER spacecraft along their orbit, during the time period 2001-2004. The physical quantity analysed here is mainly the electronic density, but also the DC magnetic field. In a first part of the thesis, two multipoint analysis tools, the spatial gradient and the time delay, are described, tested - using synthetic datasets then real data - and discussed for typical situations. When conditions are favourable, these analyses reveal the boundary motion and orientation, as well as the dimensions of the structures encountered, impossible to estimate with a single satellite mission. Another part of the thesis deals more globally with the plasmasphere, focusing particularly on the topology and dynamics of small- and large-scale density structures. This study is based on the multipoint analyses previously introduced. It also presents and discusses datasets from other CLUSTER instruments, global images of the plasmasphere from the IMAGE mission, and results from statistical studies and numerical simulations. Finally, the thesis describes a statistical study based on another dataset: the power spectral densities of electromagnetic waves measured at low altitude by the Viking spacecraft in 1986.
CLUSTER est la première mission spatiale permettant l'étude à trois dimensions de la magnétosphère terrestre. Son orbite polaire et sa configuration de quatre satellites en tétraèdre lui permettent d'effectuer des mesures in situ dans plusieurs régions de la magnétosphère, notamment dans la plasmasphère. Cette thèse rassemble une série de travaux sur les structures de plasma rencontrées sur l'orbite de CLUSTER durant la période 2001-2004. La quantité physique étudiée est essentiellement la densité électronique, mais aussi le champ magnétique continu. Dans une première partie, deux outils d'analyse multipoints, le gradient spatial et la méthode des délais, sont décrits, testés et discutés sur des jeux de données synthétiques, puis sur des données réelles, pour diverses situations typiques. Dans le cadre de conditions favorables, ces analyses révèlent le mouvement, l'orientation de frontières, ainsi que les dimensions des structures rencontrées, impossibles à estimer par une mission composée d'un seul satellite. Une seconde partie s'intéresse plus globalement à la plasmasphère, notamment à la topologie et à la dynamique de ses structures de densité à petite et grande échelle. Cette étude s'appuie sur les analyses multipoints vues précédemment, mais elle utilise également des données d'autres instruments de CLUSTER, des images globales de la plasmasphère fournies par la mission IMAGE, ainsi que des résultats d'études statistiques et de simulations numériques. Enfin, la thèse décrit une analyse statistique menée sur un autre jeu de données: les densités de puissance spectrales des ondes électromagnétiques mesurées à basse altitude par le satellite Viking durant l'année 1986.
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