Soutenance de thèse de Stanislas GUILLEMANT

Etude et Simulations des Phénomènes d'Interactions Satellite/Plasma et de leurs Impacts sur les Mesures de Plasmas Basses Energies

Les satellites scientifiques en vols sont immergés dans divers environnements spatiaux, entourés par différents types de plasmas qu'ils sont supposés analyser, en utilisant les instruments appropriés de types détecteurs de particules. La simple présence de cette structure dans le plasma conduit à une variété connue d'interactions satellites/plasma qui sont complexes, inter-corrélées, et difficilement considérées dans leur ensemble. L'environnement spatial influence la structure du satellite (courants, charge électrostatique, radiations, etc) qui, en retour, affecte son environnement proche (émission de particules, attraction / répulsion du plasma ambiant, etc). Finalement les instruments scientifiques embarqués sur les satellites mesurent un environnement local perturbé et il peut être difficile de distinguer le signal naturel des mesures biaisées.

Le but de cette thèse et d'étudier et d'améliorer la compréhension des interactions satellite/plasma, au moyen de simulations numériques multi-échelles effectuées avec le logiciel Spacecraft Plasma Interaction System (SPIS). Notre attention est portée sur le domaine des basses énergies (en dessous de la centaine d'électronvolts) puisque ce sont ces particules qui sont les plus affectées par les perturbations locales. Le but final est de comprendre les mesures de plasmas basses énergies sur des cas réalistes, tout en établissant une méthodologie de configuration et de simulation des différentes problématiques liées aux satellites immergés dans des environnements spatiaux. Cela permettrait une analyse correcte des mesures plasma en identifiant l'environnement naturel non perturbé parmi les données d'instruments polluées et biaisées.

Pour atteindre cet objectif j'effectue en premier lieu une étude paramétrique des interactions ayant lieu entre la sonde Solar Probe Plus et le plasma ambiant dans un environnement proche (0,044 UA) du soleil. Je présente les phénomènes ainsi générés tels que les gaines de plasma constituant des barrières de potentiel pour toutes les particules émises par le satellite et le potentiel électrostatique négatif de la sonde résultant, et explique leurs origines.

Le deuxième axe est l'extension de mon modèle Solar Probe Plus à des distances héliocentriques plus éloignées, permettant l'étude de la formation des gaines de plasma et des barrières de potentiel entre 0,044 UA du soleil et l'orbite terrestre. Cette étude permet de conclure qu'au périhélie de sa mission, à 0,28 UA du soleil, la mission Solar Orbiter sera concernée par des barrières de potentiel locales et de fortes perturbations au niveau de son instrument Electron Analyser System (EAS).

Troisièmement, je procède à l'étude paramétrique d'un détecteur de particules soumis à diverses perturbations, et compare les résultats avec les mesures théoriques attendues. Cette méthode fournit une première quantification des différentes problématiques perturbatrices de mesures (comme les potentiels non nuls et les particules parasites).

Pour finir je présente des simulations avancées de mon modèle Solar Orbiter et de son instrument EAS dans divers environnements, ainsi que les quantifications des biais produits par les interactions Solar Orbiter / plasma sur les mesures simulées d'électrons. Un autre cas concernant le satellite Cluster et son détecteur d'électrons embarqué est également détaillé, avec la comparaison des mesures simulées à des données réelles en vol. Le bon accord des deux jeux de données confirme la validité de ma méthode de simulation des interactions satellite/plasma.

In-flight scientic spacecraft are immersed in various space environments,
surrounded by dierent types of plasma they are meant to analyse,
using dedicated instruments such as particle detectors. The simple presence of a
structure in a plasma leads to various known spacecraft/plasma interactions which are complex, inter-correlated, and difficult to consider globally. The space environment inuences the satellite structure (currents, electrostatic charging, radiations, etc) which in turn, affects its near environment (particle emission, attraction / repulsion of the ambient plasma, etc). Finally the spacecraft scientic instruments measure a disturbed local environment and it might be difficult to distinguish the natural signal from the biased data.

The objective of this PhD is to study and improve the understanding of the spacecraft/plasma interactions, through multi-scale numerical simulations performed with the Spacecraft Plasma Interaction System (SPIS) software. The focus is made on the low energy domain (below a hundred of electron-volts) as those particles are the most affected by local disturbances. The final aim is to establish a methodology of conguring and simulating the various issues related to satellites immersed in space environments, allowing to analyse properly plasma measurements by identifying the natural undisturbed environment from biased and polluted instrument outputs.

To achieve this goal we first perform a parametric study of the Solar Probe Plus/plasma interactions in a near-Sun environment. We present the generated phenomena which are the plasma sheaths representing potential barriers for all spacecraft emitted particles and the associated negative equilibrium potential of the probe, and explain their formation.

The second axis is the extension of our Solar Probe Plus model to farther heliocentric distances, allowing the study of the plasma sheaths and potential barriers formation between 0.044AU from the Sun to the Earth orbit. This allows to state that the Solar Orbiter mission at its perihelion (0.28AU) will be affected by local potential barriers and strong disturbances in the vicinity of its electron instrument: the Electron Analyser System (EAS).

Third, we proceed to a parametric simulation study of a particle detector subjected to various disturbing phenomena, and compare the measurements with the theoretical expected outputs. This method provides a first quantification of the different data aberration issues (such as non null potentials and parasite particles).

Finally advanced simulations of our Solar Orbiter model and its on-board instrument EAS in various environments are presented, with quantifications of the simulated electron measurements biases due to the Solar Orbiter/plasma interactions. Another case considered is the Cluster spacecraft and its on-board electron detector, with a comparison of simulated measurements to real in-flight data. The good agreement between the two datasets confirmm the validity of our methodology of simulating multi-scale satellite/plasma interactions.