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MOdélisatioN et observAtions de la recoNnexion magnétique asymétRique – MON-ANR

MON-ANR

MOdélisatioN et observAtions de la recoNnexion magnétique asymétRique

La reconnexion à la magnétopause terrestre

Notre objectif est de mieux comprendre le phénomène de reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. En particulier nous souhaitons comprendre comment les asymétries du plasma et du champ magnétique, très souvent rencontrées en astrophysique, modifies les propriétés du phénomène.

Notre travail se base sur la complémentarité entre la simulation numérique et l'observation satellite. Nous développons et utilisons des codes parallèles de type Particle In Cell afin de tenir compte des effets non collisionnels dans la dynamique du plasma. Nous utilisons des données des satellites, en particulier THEMIS et CLUSTER, et bientôt de la mission NASA Magnetospheric MultiScale que nous confrontons aux données numériques.

Nos résultats concernent pour l'instant:
- l'observation satellite à l'aide des satellites THEMIS nous a permis de montrer que la reconnexion tend à s'orienter de façon à se dérouler le plus rapidement.
- la simulation numérique à l'aide de codes cinétique et hybrides nous permet de montrer l'origine physique de certaines signatures observationnelles de la région non idéale électronique. Ces signatures seront prochainement confrontées aux observations de la mission MMS.
- La simulation numérique nous a permis de montrer que la nature cinétique des électrons ne modifiait pas les propriétés d'un équilibre cinétique asymétrique récemment inventé.

De nombreuses perspectives sont prévues, en particulier:

- étudier numeriquement l'effet du cisaillement magnétique par une série de simulations.
- étudier l'impact de l'asymétrie du plasma
- étudier les l'impact des espèces minoritaires sur les signatures observationnelles de la reconnexion à la magnétopause
- comprendre les effets 3D sur la reconnexion et l'endroit où elle se déroule à la magnétopause.

Articles:

M. Hesse, N. Aunai, J. Birn, P. Cassak, R. E. Denton, J. F. Drake, T. Gombosi, M. Hoshino, W. Matthaeus, D. Sibeck, and S. Zenitani Theory and Modeling for the Magnetospheric Multiscale Mission Resubmitted to Space Science Reviews

M. Hesse, N. Aunai, M. Kuznetsova, S. Zenitani, and J. Birn“Magnetic Reconnection in Different Environments: Similarities and Differences AGU Geophysical Monograph, in press

R. Smets, N. Aunai, G. Belmont, C. Boniface, J. Fuchs. On the relationship between quadrupolar magnetic field and fast reconnection. Phys. Plasmas 21, 062111 (2014); dx.doi.org/10.1063/1.4885097

R. Smets, N. Aunai, G. Belmont, C. Boniface, J. Fuchs. On the relationship between quadrupolar magnetic field and fast reconnection. Phys. Plasmas 21, 062111 (2014); dx.doi.org/10.1063/1.4885097

M. Hesse, N. Aunai, M. Kuznetsova, S. Zenitani, J. Birn. Magnetic Reconnection in Different Environments: Similarities and Differences. Accepted in AGU Books

N. Dorville, G. Belmont, L. Rezeau, N. Aunai, A. Retino. BV technique for investigating 1-D interfaces Accepted in Journal of Geophysical Research. doi:10.1002/2013JA018926 pdf


Présentations orales:

N. Aunai et al. Electron Scale Signatures of Asymmetric Collisionless Reconnection Obtained from Particle-in-Cel Models. Dec. 2014, AGU 2014 (Invited)

N. Aunai et al. Electron scale mechanisms in collisionless magnetic reconnection – hybrid and fully kinetic modeling. May. 2014, US-Japan workshop on Magnetic reconnectionTokyo University, Japan. (Invited)

N. Aunai et al. Electron non-ideal physics in symmetric and asymmetric magnetic reconnection. March. 2014, Seminar at Delaware Uni., USA.

N. Aunai et al. Electron nongyrotropy and field line connectivity the electron jet of symmetric magnetic reconnection. March. 2014, Meeting MMS, Iowa City, USA


N. Aunai et al. Kinetic modeling of magnetopause reconnection. Fev. 2014, PNST 2014, Sete, France.

La reconnexion magnétique est un phénomène universel transférant l’énergie magnétique en énergie cinétique et thermique du plasma, tout en changeant sa connectivité magnétique, ayant ainsi des conséquences importantes sur son transport. Parmi de nombreux systèmes dans l’univers, la magnétopause terrestre, proche et “facilement” atteignables par des missions spatiales, constitue un laboratoire fantastique pour étudier le processus de reconnexion en détail, en plus d’être, en elle seule, un vecteur important d’activité géomagnétique. Lorsqu’elle s’y produit, la reconnexion couple en effet de manière critique le vent solaire à notre magnétosphère. La magnétopause est une frontière magnétique tri-dimensionnelle et non collisionnelle séparant le vent solaire du plasma magnétosphérique et à travers laquelle le champ magnétique tourne, de l’orientation interplanétaire à celle donnée par le dipôle Terrestre. Bien qu’il soit connu que la reconnexion à la magnétopause soit fortement influencée par l’orientation du champ interplanétaire, nous ne comprenons pas comment ce paramètre impacte la microphysique locale dont résulte notre vision globale. De plus, l’asymétrie de la magnétopause la distingue de la majorité des modèles de reconnexion, se basant d’avantage sur des couches de courant symétrique, qui, strictement parlant, sont plutôt singulière même si elles guident cependant notre intuition.
Ce projet de trois ans propose de s’attaquer au problème crucial de l’impact des propriétés environnementales méso-échelle sur la reconnexion magnétique non collisionnelle, en ce concentrant sur l’impact i) d’une variation de l’angle de cisaillement magnétique, ii) d’une variation lente du degré d’asymétrie et iii) de variations tri-dimensionnelles. Nous utiliserons des simulations 2D cinétiques et hybrides cinétiques, plus tard confrontées à des simulations 3D cinétiques et fluides, et toujours en proche relation avec des observations multi-missions, de la magnétopause terrestre et du vent solaire, faisant une utilisation intense des outils à l’état de l’art développés à l’IRAP, les améliorant et en développant de nouveaux. En octobre 2014, la NASA va lancer la mission d’envergure “Magnetospheric Multiscale” (MMS) pour étudier la microphysique de la reconnexion jusqu’aux échelles électroniques. Notre projet ambitieux et compétitif est très cohérent avec les objectifs scientifiques de la mission. Ceux-ci seront atteints via le rassemblement de forces complémentaires de la communauté plasmas spatiaux Française en théorie, modélisation numérique et observations spatiales, avec les experts mondiaux en théorie et modélisation de la reconnexion magnétique, dans une nouvelle et forte collaboration internationale sur un sujet largement reconnu comme l’un des plus importants de la physique expérimentale, spatiale et astrophysique, des plasmas.
Ce projet sera réalisé à l’IRAP, mais impliquera également des chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) et NASA Goddard Space Flight Center (GSFC). Si ce dernier, construisant les quatre satellites de MMS, est évidemment fortement engagé dans la mission, le l’IRAP et le LPP y sont également fortement impliqués en participant à son instrumentation. Ce projet est au coeur des objectifs scientifiques du groupe Géophysique Planétaire et Plasmas Spatiaux, auquel il apportera, ainsi qu’à la communauté plasma Française, une expertise très désirable en modélisation numérique de la reconnexion magnétique non collisionnelle. Il sera découpé en cinq tâches basées sur une forte synergie observations/théorie/simulation, conçues pour aboutir à des résultats clé sur la physique de la reconnexion, et pour offrir à la communauté des bases des données originales et des codes innovants d’analyse de données.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Aunai (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRAP Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie

Aide de l'ANR 89 346 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2013 - 36 Mois

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