Jupiter et Saturne possèdent de puissants champs magnétiques qui interagissent avec le flux supersonique de plasma s'échappant du Soleil (le vent solaire) et y créent de vastes cavités magnétiques, des magnétosphères. Ces cavités abritent des disques circumplanétaires issus de l'activité volcanique des lunes internes (Io, à 6 rayons joviens de Jupiter, et Encelade, à 4 rayons kroniens de Saturne). Les tores neutres créés par ces lunes donnent naissance, après ionisation, à des tores internes mixtes neutre-plasma. Le couplage entre particules chargées et champ magnétique des planètes entraîne le plasma en co-rotation à une période d'environ 10 h, plus courte que la période orbitale keplérienne à ces distances. Le plasma est donc continuellement entraîné vers l'extérieur par la force centrifuge et forme un magnétodisque sur des dizaines de rayons kroniens et des centaines de rayons joviens dans le plan équatorial. Les deux disques se caractérisent par un faible couplage gaz/plasma et un fort couplage entre le plasma magnétosphérique et le champ magnétique.
Dans les régions internes, le transport est régi par une instabilité de type Rayleigh-Taylor, nommée "instabilité d'interchange", dans laquelle un tube de flux intérieur rempli de plasma et un tube extérieur vide échangent leurs places sous l'action de la force centrifuge. Des tubes de flux vidé de plasma ont été observés dans les magnétosphères et interprétés comme un résultat de cette instabilité. Bien que largement documentés à Saturne, l'étude de leurs propriétés plasma manque encore autour de Jupiter du fait des diagnostics plasma limités de la sonde Galileo. En m'appuyant sur les observations haute résolution de la mission Juno, je présente une première étude des propriétés plasma des tubes vides dans la magnétosphère jovienne, confirme leur similitude avec les mêmes tubes à Saturnes et en déduit la distance parcourue par les tubes observés.
Je développe ensuite un premier formalisme pour décrire le transport intégrés de masse, d'énergie et de moment angulaire induit par l'instabilités d'interchange dans le cas axisymétrique. Le système est divisé entre la thermosphère/ionosphère, un milieu partiellement ionisé où la dynamique est régie par les collisions entre les neutres et les ions et par le couplage entre les ions et le champ magnétique, et la magnétosphère, un milieu presque entièrement ionisé où plasma et champ magnétique sont fortement couplés. Ces deux régions sont couplées au travers de la région à haute latitude, où les particules sont accélérées le long des lignes de champ. Grâce à un traitement quasi-linéaire des lois fondamentales, je combine les descriptions antérieures du transport de masse, d'énergie, de moment angulaire. Mon formalisme tient compte des sources de plasma au sein du disque, du couplage partiel avec la haute atmosphère, de la distribution verticale finie du disque et des variations temporelles lentes du système. Il se limite aux régions internes, où le disque est quasi-axisymétrique et où le couplage le long des lignes de champ est instantané.
En plus de ce transport, plusieurs éléments indiquent la présence d'un champ électrique à grande échelle dans les magnétosphères géantes, qui entraînerait un cycle de plasma rappelant la convection terrestre. Sur la base de la description théorique détaillée précédemment, je modélise la pénétration d'un champ électrique externe au sein du système jovien. Les modèles théoriques développés à la Terre sont appliquées au cas jovien en y ajoutant une contribution liée à la rotation rapide du système. Mon modèle reproduit qualitativement les estimations du champ électrique convectif dans la magnétosphère jovienne. Davantage de contraintes observationnelles sont cependant nécessaires pour mieux évaluer la validité de notre modèle et étudier la nature de la source de champ électrique. Elles pourraient provenir de la mesure des courants alignés ou des dérives équatoriales du plasma. |
Jupiter and Saturn bear strong magnetic fields which interact with the supersonic flow of plasma escaping from the Sun (the Solar Wind) and create large magnetic cavities inside of it, named magnetospheres. Those cavities host circumplanetary disks which originate from the volcanic activity of the active moons present in the inner regions (Io at 6 Jovian radii from Jupiter, Enceladus at 4 Kronian radii from Saturn). The neutral tori created by the moons undergo ionization processes, resulting in a mixed neutral-plasma torus in the inner regions. Coupling between charged particles and the strong magnetic field of the planets drives plasma into co-rotation at the planetary period, about 10 h, shorter than the Keplerian orbital period at those radii. The plasma is thus continuously dragged outwards by the dominant centrifugal force and forms a centrifugated magnetodisk extending to tens of Kronian and hundreds of Jovian radii in the equatorial plane. Both disks are characterized by a weak gas/plasma coupling and a strong coupling between magnetospheric plasma and magnetic field.
In the innermost regions of the system, transport is thought to be driven by a Rayleigh-Taylor-like instability named the flux tube interchange instability, under which a plasma-loaded flux tube located inward and a plasma depleted flux tube located outward exchange places under the action of the centrifugal force. Depleted flux tubes have been observed in the magnetospheres and interpreted as a result of this instability. Though amply documented at Saturn, their plasma properties could not be studied at Jupiter due to limited plasma diagnostics from Galileo. Based on the high-resolution plasma observation of the Juno mission, I provide a first analysis of flux tube plasma properties around Jupiter, confirm their similarity with the Kronian structures and infer the distance they have travelled.
I then develop a first formalism to describe the integrated fluxes of mass, energy and angular momentum in the case of axisymmetrical, instability-driven plasma transport. The magnetospheric system is separated between the thermosphere/ionosphere, a partially ionized medium where plasma dynamics is set through neutral/ion collisions and ion/magnetic field coupling, and the magnetosphere, a close-to-fully-ionized medium where plasma and magnetic field are strongly coupled and conservation laws apply. Both regions interact through the high-latitude field line region where field-aligned particle acceleration takes place. Using a quasi-linear treatment of the fundamental laws, I combine previous descriptions the transport of mass, energy, angular momentum and (partial) coupling between ionospheres and magnetosphere. Our formalism accounts for plasma sources embedded inside the plasma disk, partial coupling with the high atmosphere, finite vertical distribution of the disk and slow time variations in the system. It is limited to the inner magnetospheric regions, where the disk is nearly axisymmetrical and field-aligned coupling is instantaneous.
In addition to this internally-driven plasma transport, multiple pieces of evidence indicate the presence of a large scale electric field in the magnetospheres of Jupiter and Saturn, which could drive a plasma cycle reminiscent to Earth convection. Based on the first theoretical description detailed previously, I model the penetration of an external electric field inside the Jovian system. I find that theoretical models developed in the Earth magnetosphere could apply to the Jovian case, adding a contribution from the fast rotation of the planet and the disk. Our model qualitatively reproduces available estimates of the convection electric field in the Jovian magnetosphere. However, more observational constraints are required to better qualify the validity of our model and investigate the nature of the source electric field. Such observational constraints could come from field-aligned current or equatorial plasma drifts. |