Les ceintures de radiation terrestres, constituées de particules chargées piégées par le champ magnétique, sont des structures dynamiques dont l’évolution est fortement influencée par l’activité solaire. Les orages géomagnétiques, en particulier, modifient significativement la distribution des électrons dans ces régions, posant un risque pour les infrastructures spatiales. Il est donc essentiel de pouvoir surveiller ces zones avec la plus grande précision possible. Cependant, les observations actuelles reposent principalement sur des mesures in situ, limitées à la fois spatialement et temporellement, ce qui empêche d’obtenir une vision globale de la dynamique des ceintures.
Cette thèse propose une approche complémentaire basée sur l’observation des émissions radio produites par les électrons piégés. Ces émissions, de type cyclo-synchrotron, sont inaccessibles depuis la surface terrestre en raison de leur absorption par l’ionosphère, mais pourraient être détectées depuis la Lune. En s’appuyant sur les travaux de Hegedus et al. (2020), un nouveau modèle de simulation a été développé, étendant la gamme d’énergie considérée aux électrons entre 100 keV et 1 MeV. Pour cela, un formalisme cyclo-synchrotron plus général a été adopté, permettant de modéliser de manière réaliste les émissions d’électrons non relativistes. Ce modèle permet de générer des cartes d’intensité radio à partir de distributions électroniques tridimensionnelles issues du modèle Salammbô, développé à l’ONERA depuis plusieurs décennies (Beutier, 1993; Bourdarie, 1996; Brunet et al., 2023; Dahmen, 2020).
La seconde partie de ce travail s’intéresse à la possibilité de reconstruire les distributions d’électrons en 3D (en énergie, angle d’attaque et L^*) à partir d’images 2D du rayonnement cyclo-synchrotron. Malgré le caractère mal posé du problème inverse, plusieurs stratégies ont été mises en œuvre, incluant des régularisations et une reformulation non linéaire. Sur cette base, une méthode reposant sur l’Analyse en Composantes Principales (PCA) a été développée afin de réduire la dimensionnalité du problème tout en conservant les principales caractéristiques physiques. Cette méthode a permis d’obtenir des reconstructions de haute qualité, démontrant sa robustesse sur différentes périodes et jeux de données.
Ces travaux confirment la pertinence d’une future observation radio-lunaire pour accéder à la dynamique globale des ceintures de radiation, et ouvrent la voie au développement de nouveaux outils d’étude à distance de l’environnement magnétosphérique terrestre.
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The Earth's radiation belts are dynamic regions of the magnetosphere where charged particles are trapped by the geomagnetic field. Their structure and evolution are strongly driven by solar activity, with geomagnetic storms significantly altering the distribution of trapped electrons and posing serious risks to space-based infrastructure. Accurate and continuous monitoring of these regions is therefore essential. However, current observations rely mainly on in situ satellite measurements, which are inherently limited in spatial and temporal coverage, restricting our ability to capture the global dynamics of the belts.
This thesis presents a novel approach based on the observation of radio emissions generated by trapped electrons. These cyclo-synchrotron emissions, while undetectable from the ground due to ionospheric absorption below 10 MHz, could be observed from the Moon’s surface. Building on the work of Hegedus et al. (2020), we developed an extended simulation model capable of accounting for electron energies ranging from 100 keV to 1 MeV. This required adopting a generalized cyclo-synchrotron formalism suitable for modeling emissions from both non-relativistic and relativistic electrons. The model produces radio intensity maps based on 3D electron phase space distributions provided by the Salammbô-3D code, developed at ONERA over several decades (Beutier, 1993; Bourdarie, 1996; Brunet et al., 2023; Dahmen, 2020).
The second part of the thesis investigates whether it is possible to reconstruct 3D electron distributions (in energy, equatorial pitch angle and L^*) from 2D images of modeled cyclo-synchrotron radiation. Given the ill-posed nature of the inverse problem, we explored several strategies, including regularizations and a nonlinear reformulation. To further stabilize the inversion and reduce its dimensionality, we developed a method based on Principal Component Analysis (PCA). This approach enabled us to reconstruct high-quality electron distributions, demonstrating both robustness and flexibility across various conditions.
Overall, this work supports the feasibility of lunar-based radio observations as a means to access the global dynamics of Earth’s radiation belts, and lays the groundwork for the development of future remote sensing instruments dedicated to magnetospheric science. |