Statistical Study of the Global Constraints Governing Magnetic Reconnection at the Earth's Magnetopause
Étude statistique des contraintes globales gouvernant la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre
Résumé
Magnetic reconnection is the primarymechanism through which the Earth's magnetosphere couples to the surrounding magnetized solar wind. The efficiency of this coupling largely depends on where the reconnection occurs on themagnetopause. Determining the location of so-called reconnection X-lines, as a function of the upstream interplanetary conditions, remains a long-standing challenge in magnetospheric physics due to its multiscale character. Progress is hampered by the fact that the plasma and field properties that constrain where reconnection can develop on the magnetopause are themselves poorly understood, and so far only accessed through global magnetohydrodynamics simulations. This thesis brings new observational constraints to this problem through the reconstruction of 3D global spatial variations of the plasma and magnetic field on the dayside magnetosheath and magnetopause. A newmethodology was developed to collect and process two decades of in-situ measurements from the Cluster, Double Star, THEMIS, andMMS missions. We first reconstructed the global 3Dmagnetic draping of the interplanetary magnetic field (IMF) in the magnetosheath, whose structure is demonstrated to be controlled by the plasma flow in this region in a way that invalidates widely used vacuum magnetostatic draping assumptions in about 30% of the IMF orientations. We then examine the variation of magnetic field amplitude and plasma density in the magnetosheath and their dependence on the IMF orientation, and highlight their nonlinear coupling with magnetopause reconnection. Finally reconstructions of the spatial distributions magnetic shear, current density and reconnection rate on the dayside magnetopause,for different dipole tilts and IMF orientations, allowed us to better understand the interplay between local and global constraints on the location of reconnection X-lines.
La reconnexion magnétique est le mécanisme principal à l'œuvre dans le couplage entre la magnétosphère terrestre et le vent solaire magnétisé. L'efficacité du processus dépend grandement d'où il se déroule sur la magnétopause. La localisation de la ligne X en fonction des propriétés du milieu interplanétaire reste, à ce jour, l'une des questions clés de la physique magnétosphérique en raison de son caractère multi-échelles. L'une des principale difficulté tient dans notre quasi complète méconnaissance de l'environnement plasma et magnétique à grande échelle sur la magnétopause, et comment celles-ci évoluent avec les conditions interplanétaires. Ces propriétés sont aujourd'hui accessibles uniquement au travers de modèles, analytiques ou numériques. Cette thèse apporte de nouvelles contraintes observationnelle au problème de la localisation de la reconnexion en proposant la reconstruction et l'analyse des variations spatiales et grande échelle des variations spatiales du plasma et champ magnétique dans la magnétogaine et sur la magnétopause Un nouvelle méthode est développée afin de collecter et traiter deux décennies de données in-situ des missions Cluster, Double Star, THEMIS et MMS. Nous proposons en premier lieu de reconstruire la structure globale et 3D du champ magnétique drapé dans la magnétogaine, démontrant que l'hypothèse d'un drapé magnétostatique sans courant ne correspond pas aux observations pour environ 30% des orientations du champ interplanétaire. Nous examinons ensuite la variation, dans la magnétogaine, de l'amplitude du champ magnétique et de la densité du plasma, ainsi que leur dépendance en l'orientation du champ interplanétaire, en soulignant leur couplage non linéaire avec la reconnexion à la magnétopause. Enfin, la reconstruction des variations spatiales, sur la magnétopause, du cisaillement magnétique, de la densité de courant et du taux de reconnexion, en fonction de l'orientation du champ interplanétaire et du dipôle terrestre, nous a permis de mieux comprendre les rôles respectifs des contraintes globales et locales dans la localisation possible de la X-line.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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