Non-Adiabatic Ion Acceleration caused by Electromagnetic Waves (Cluster and Double Star observations) and Geomagnetic Field Response to the Variations of the Solar Wind Dynamic Pressure
Accélération Non Adiabatique des Ions causée par des Ondes électromagnétiques (Observations de Cluster et Double Star) et réponse du champ géomagnétique aux variations de la pression dynamique du vent solaire
Résumé
This doctoral dissertation includes two main topics: one is about the nonadiabatic acceleration of ions in the near-Earth plasma sheet, the other is about the geomagnetic pulsations driven by the decrease of solar wind dynamic pressure. The nonadiabatic acceleration of plasma sheet ions is important to understand the formation of ring current and substorm energetic injections. In the first part, we present case studies of nonadiabatic acceleration of plasma sheet ions observed by Cluster and Double Star TC-1 in the near-Earth magnetotail (e.g. at (X, Y, Z)=(-7.7, 4.6, 3.0) RE in the 30 October 2006 event), much closer to the Earth than previously reported. We find that the ion energy flux variations, which are characterized by a decrease over 10 eV-20 keV and an increase over 28-70 keV, are caused by the ion nonadiabatic acceleration closely associated with strong electromagnetic field fluctuations around the H+ gyrofrequency. We also find that the ions after nonadiabatic acceleration have 'bunched gyrophases', which is the first report in the plasma sheet since the 'gyrophase bunching effect' was observed in the solar wind in 1980s. We interpret the ion energy flux variations and the bunched gyrophases by using a nadiabatic model. The analytic results and simulated spectrums are in good agreement with the observations. This analysis suggests that nonadiabatic acceleration associated with magnetic field fluctuations is an effective mechanism for ion energization in the near-Earth plasma sheet. The presented energy flux structures can be used as a proxy to identify this dynamic process. In the second part, we investigate the response of geomagnetic field to an impulse of solar wind dynamic pressure (Psw), which hits the magnetosphere on 24 August 2005. Using the high resolution geomagnetic field data from 15 ground stations and the data from Geotail, TC-1 and TC-2, we studied the geomagnetic pulsations at auroral latitudes driven by the sharp decrease of Psw in the trailing edge of the impulse. The results show that the sharp decrease of Psw can excite a global pulsation in the frequency range 4.3-11.6 mHz. The reversal of polarizations between two auroral latitude stations, larger Power Spectral Density (PSD) close to resonant latitude and increasing frequency with decreasing latitude indicate that the pulsations are associated with Field Line Resonance (FLR). The fundamental resonant frequency (the peak frequency of PSD between 4.3-5.8 mHz) is magnetic local time dependent and largest around magnetic local noon. This feature is due to the fact that the size of magnetospheric cavity is local time dependent and smallest at noon. A second harmonic wave at about 10 mHz is also observed, which is strongest in the daytime sector, and is heavily attenuated while moving to night side. The comparison between the PSDs of the pulsations driven by sharp increase and sharp decrease of Psw shows that the frequency of pulsations is inversely proportional to the size of the magnetopause. Since the FLR is excited by compressional cavity/waveguide waves, these results indicate that the resonant frequency in the magnetospheric cavity/waveguide is decided not only by solar wind parameters but also by magnetic local time of observation point.
Cette thèse comporte deux thèmes principaux: l'un concerne l'accélération non adiabatique des ions dans la couche de plasma proche de la Terre, l'autre les pulsations géomagnétiques dues à la décroissance de la pression dynamique du vent solaire. L'accélération nonadiabatique des ions de la couche de plasma est importante pour comprendre la formation du courant annulaire et les injections énergétiques des sous-orages. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des études de cas d'accélération non adiabatique des ions de la couche de plasma observés par Cluster et TC-1 Double Star dans la queue magnétique proche de la Terre (par exemple à (X,Y, Z)=(-7.7, 4.6, 3.0) RT lors de l'évènement du 30 octobre 2006), beaucoup plus près de la Terre que ceux qui avaient été précédemment observés. Nous trouvons que les variations du flux d'énergie des ions, qui sont caractérisées par une décroissance entre 10 eV et 20 keV et une augmentation entre 28 keV et 70 keV, sont causées par l'accélération non adiabatique des ions associée étroitement avec les fortes fluctuations du champ électromagnétique autour de la gyrofréquence des ions H+. Nous trouvons aussi que les ions après l'accélération non adiabatique sont groupés en phase de gyration et c'est la première fois que ceci est trouvé dans la couche de plasma alors que cet effet a été observé dans le vent solaire dans les années 1980. Nous interprétons les variations de flux d'énergie des ions et les groupements en phase de gyration en utilisant un modèle non adiabatique. Les résultats analytiques et les spectres simulés sont en bon accord avec les observations. Cette analyse suggère que cette acceleration nonadiabatique associée aves les fluctuations du cham magnétique est un mécanisme efficace pour l'accélération des ions dans la couche de plasma proche de la Terre. Les structures de flux d'énergie présentées peuvent être uilisées comme un proxy pour identifier ce processus dynamique. Dans le deuxième thème, nous étudions la réponse du champ géomagnétique à une impulsion de la pression dynamique (Psw) du vent solaire qui a atteint la magnétosphère le 24 août 2005. En utilisant les données du champ géomagnétique à haute résolution fournies par 15 stations au sol et les données des satellites Geotail, TC-1 et TC-2, nous avons étudié les pulsations géomagnétiques aux latitudes aurorales dues à la décroissance brusque de Psw dans la limite arrière de l'impulsion. Les résultats montrent que la décroissance brutale de Psw peut exciter une pulsation globale dans la gamme de fréquence 4.3-11.6 mHz. L'inversion des polarisations entre deux stations des latitudes aurorales, la densité spectrale de puissance (PSD) plus grande près de la latitude de résonance et la fréquence augmentant avec la diminution de la latitude indiquent que les pulsations sont associées avec la résonance des lignes de champ (FLR). La fréquence résonante fondamentale (la fréquence du pic de PSD entre 4.3-5.8 mHz) dépend du temps magnétique local et est maximale autour du midi local magnétique. Cette caractéristique est due au fait que la dimension de la cavité magnétosphérique dépend du temps et est minimale à midi. Une onde harmonique est aussi observée à environ 10 mHz, qui est maximale dans le secteur jour, et est fortement atténuée lorsque on va vers le coté nuit. La comparaison entre les PSDs des pulsations provoquées pas l'augmentation brutale et la décroissance brutale de Psw montre que la fréquence des pulsations est inversement proportionnelle à la dimension de la magnétopause. Puisque la résonance des lignes de champ (FLR) est excitée par des ondes cavité compressée/guide d'onde, ces résultats indiquent que la fréquence de résonance dans la cavité magnétosphérique/guide d'onde est due non seulement aux paramètres du vent solaire mais est aussi influencée par le temps magnétique local du point d'observation.
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