L'interaction du vent solaire avec la magnétosphère est gouvernée par la physique des plasmas. Le vent solaire est éjecté en continu et transporte avec lui le Champ Magnétique Interplanétaire (IMF) vers la Terre. Cette interaction façonne l'environnement plasma proche de la Terre. La reconnexion magnétique à la magnétopause est une conséquence clé, convertissant l'énergie électromagnétique en énergies cinétique et thermique. Les Événements de Transfert de Flux (FTE), phénomènes transitoires à la magnétopause, sont un résultat de la reconnexion. Ce travail est divisé en deux parties. La première se concentre sur la formation des FTE, tandis que la seconde se concentre sur la conversion d'énergie dans la reconnexion magnétique.
Concernant les FTE, bien qu'il soit connu que ceux-ci sont générés par la reconnexion magnétique, les détails des processus en jeu restent mal compris. Une étude récente a montré que le signe de l'hélicité des FTE est positivement corrélé avec la composante By de l'IMF. Avec les données des missions Cluster et MMS, j'ai réalisé une étude statistique des FTE. Je me suis concentré sur le signe de leur hélicité et leur possible association avec les conditions du vent solaire en amont et les propriétés locales de la reconnexion magnétique. En utilisant à la fois des données in situ et une modélisation du cisaillement magnétique, il a été constaté que les FTE dont le signe d'hélicité correspond à l'IMF By sont associés à des cisaillements magnétiques modérés, tandis que ceux qui ne correspondent pas à l'IMF By sont associés à des cisaillements magnétiques plus élevés. Bien que l'incertitude dans la propagation de l'IMF à la magnétopause puisse conduire à une incertitude dans la détermination du champ magnétique de la corde de flux et de son hélicité, ce travail propose plutôt que pour un petit IMF By, qui correspond à un fort cisaillement et un faible champ guide, le champ magnétique de Hall de la reconnexion magnétique détermine le champ magnétique dans le FTE, et le signe de son hélicité. Dans ce contexte, j'explique comment la séquence temporelle de formation de lignes de reconnexion multiples et le taux de reconnexion sont importants pour déterminer le signe de l'hélicité de la corde de flux.
Dans la deuxième étude, je me concentre sur les principaux termes affectant les changements d'énergie cinétique. Il s'agit des termes liés au gradient de pression et des termes électromagnétiques. Les premiers rendent compte de l'accélération/décélération du plasma à partir d'un gradient de pression, tandis que les seconds le font à partir d'un champ électrique. Bien que des écarts spatiaux et temporels limités soient attendus, un équilibre statistique entre ces termes est fondamental pour assurer la conservation globale de l'énergie et de la quantité de mouvement. J'utilise des observations in situ de la mission MMS pour étudier la relation entre ces termes. Je réalise une analyse statistique de ces paramètres dans le contexte de la reconnexion magnétique en me concentrant sur les EDR à petite échelle et les FTE à grande échelle. L'analyse révèle une corrélation entre les deux termes dans l'équilibre des forces monofluide, et dans l'équilibre des forces et de l'énergie ionique. Cependant, la relation attendue ne peut pas être vérifiée à partir des mesures électroniques. Généralement, les termes liés au gradient de pression sont plus petits que leurs homologues électromagnétiques. J'effectue une analyse d'erreur pour quantifier la sous-estimation attendue des valeurs de gradient en fonction de la séparation des satellites par rapport à l'échelle du gradient. Ces résultats soulignent que MMS est capable d'estimer l'équilibre énergétique et des forces pour le fluide ionique, mais qu'il faut être prudent pour les termes de conversion d'énergie basés sur les gradients de pression électronique. |
The solar wind interaction with the Earth is governed by plasma physics. The solar wind is continuously expelled from the Sun, carrying with it the Interplanetary Magnetic Field (IMF) to Earth. This interaction shapes the near-Earth plasma environment, comprising regions like the bow shock, magnetosheath, and magnetosphere. Magnetic reconnection at the magnetopause is a key consequence of this interaction, converting electromagnetic energy into kinetic and thermal energies. Flux Transfer Events (FTEs), transient phenomena at the dayside magnetopause, are one result of reconnection. This work is divided into two parts. The first one focuses on FTE formation and orientation, while the second focuses on energy conversion in magnetic reconnection (association with Electron Diffusion Regions (EDRs) and FTEs), with a particular focus on kinetic energy and force balance.
Concerning FTEs, while it is known that they are generated by magnetic reconnection, it remains unclear how the details of magnetic reconnection control their properties. A recent study showed that the helicity sign of FTEs positively correlates with the east-west (By) component of the IMF. With data from Cluster and MMS, I performed a statistical study of FTEs. I focused on their helicity sign and possible association with upstream solar wind conditions and local magnetic reconnection properties. Using both in situ data and magnetic shear modeling, it was found that FTEs whose helicity sign corresponds to the IMF By are associated with moderate magnetic shears, while those that do not correspond to the IMF By are associated with higher magnetic shears. While uncertainty in IMF propagation to the magnetopause may lead to randomness in the determination of the flux rope core field and helicity, this work rather proposes that for small IMF By, which corresponds to high shear and low guide field, the Hall pattern of magnetic reconnection determines the FTE core field and helicity sign. In that context, I explain how the temporal sequence of multiple X-line formation and the reconnection rate are important in determining the flux rope helicity sign.
In the second part of this thesis, I focus on the main physical terms affecting the changes in kinetic energy. These are pressure-gradient-related terms and electromagnetic terms. The former account for plasma acceleration/deceleration from a pressure gradient, and the latter from an electric field. Although limited spatial and temporal deviations are expected, a statistical balance between these terms is fundamental to ensure the overall conservation of energy and momentum. I use in-situ observations from the MMS mission to study the relationship between these terms. I perform a statistical analysis of those parameters in the context of magnetic reconnection by focusing on small-scale EDRs and large-scale FTEs. The analysis reveals a correlation between the two terms in the monofluid force balance, and in the ion force and energy balance. However, the expected relationship cannot be verified from electron measurements. Generally, the pressure-gradient-related terms are smaller than their electromagnetic counterparts. I perform an error analysis to quantify the expected underestimation of gradient values as a function of the spacecraft separation compared to the gradient scale. These findings highlight that MMS is capable of capturing energy and force balance for the ion fluid, but that care should be taken for energy conversion terms based on electron pressure gradients, owing to measurement limitations. |