Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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A’22 Reflets de la Physique n°59 A C A C 2. Schéma de principe de la reconnexion. Les lignes de champ (en bleu) se rapprochent du point X (en pointillés sur la figure de droite), poussées par le plasma dont la vitesse est tracée en rose. S’il y a reconnexion, le point A, initialement connecté magnétiquement au point A’(à gauche), peut ainsi se retrouver soudainement connecté au point C (à droite). Pendant ce phénomène, le plasma se trouve fortement accéléré par la force de tension des lignes de champ (flèches rouges). 50 δ i ≈ 5000 km 160 150 140 130 Magnétogaine 120 CLUSTER 1000 km 110 B Magnétosphère 100 550 575 600 625 650 675 B Îlot magnétique A’MMS 10 km = δ e 3. Simulation numérique de la magnétopause avec un code PIC (Particle In Cell) 2D. La magnétosphère est en bas (B dirigé vers la gauche), la magnétogaine en haut (B dirigé vers la droite). Les échelles sont indiquées en longueur d’inertie des ions. La composante j z (perpendiculaire au plan) du courant électrique est représentée en couleur (code couleur à droite de la figure). La magnétopause correspond au maximum de ce courant. On observe l’apparition d’un îlot magnétique dû à la reconnexion. Les quatre points noirs, entourés d'un cercle bleu ou vert donnent l’ordre de grandeur des distances intersatellites, respectivement pour Cluster et pour MMS. 10 δ i Ji 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 » > parfois, de façon simplifiée, que les lignes de champ se « coupent » et se raccordent différemment. Une ligne du vent solaire peut ainsi se trouver subitement connectée à une ligne liée à la Terre, reliant l’intérieur et l’extérieur de la magnétopause. En conséquence, les particules du vent solaire peuvent pénétrer dans la magnétosphère. Tous les phénomènes magnétosphériques, comme les aurores polaires, sont des conséquences plus ou moins directes de ces reconnexions. Personne, jusqu’ici, n’avait pu observer en détail le voisinage du « point en X », l’endroit où se produit la « déconnexion-reconnexion » des lignes de champ. Compte tenu de la nécessité de prendre des mesures aux échelles électroniques, spatiales et temporelles dans ce voisinage, pour comprendre la physique de la reconnexion, on se rend compte de l’intérêt de MMS  : les satellites de Cluster étaient trop éloignés (fig. 3) et la résolution temporelle de ses instruments de mesure des particules insuffisante pour atteindre ces échelles. Les innovations apportées par MMS Même si MMS ressemble à Cluster (embarquant des instruments qui mesurent toutes les propriétés du plasma), cette nouvelle mission apporte des progrès très significatifs. La première différence est illustrée sur la figure 3  : les satellites sont souvent plus proches, à des distances de l’ordre de la dizaine de kilomètres. La deuxième innovation est dans les capacités des instruments embarqués. Jusqu’à présent, on détectait les particules à bord des satellites grâce à un spectromètre de masse capturant celles-ci dans un plan. Le satellite tournant sur lui-même, on obtenait une mesure tridimensionnelle de la fonction de distribution à chaque période de rotation du satellite. La résolution temporelle ne pouvait pas être meilleure que la période de rotation (4 s sur Cluster), ce qui se traduisait en particulier par une mesure très imprécise de la vitesse fluide dès que le milieu n’était pas strictement stationnaire sur cette période. Sur MMS, l’instrument FPI est doté de quatre couples de détecteurs. Chaque couple observe un quart du champ de vue grâce à un système de déflecteurs. On effectue ainsi 32 mesures simultanées (fig. 4). On a de cette façon une résolution temporelle inégalée  : 0,03 s pour les électrons, 0,15 s pour les ions.
L’IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et en Planétologie) a fourni les 32 galettes à microcanaux qui servent de détecteurs à l’intérieur des analyseurs d’ions. Cette innovation permet, pour la première fois, d’utiliser les mesures de vitesses des ions et des électrons pour calculer la densité de courant, chose qui n’avait jamais pu être faite jusqu’à présent. Sur Cluster on ne pouvait utiliser que le calcul dérivé de l’équation de Maxwell- Ampère, en estimant le rotationnel du champ magnétique à partir des mesures en quatre points. La figure 5 montre que les deux calculs donnent sur MMS des résultats tout à fait comparables et se valident l’un l’autre. En ce qui concerne les champs, on mesure les trois composantes du champ magnétique et du champ électrique (contre deux seulement sur Cluster), en continu et en alternatif. Pour les magnétomètres alternatifs fournis par le LPP, les innovations sont moins dans la sensibilité et la résolution temporelle qui sont semblables à celles de Cluster, que dans l’encombrement et le poids de l’ensemble capteur-préamplificateur. L’optimisation de la forme du noyau magnétique (en donnant à ses extrémités une forme conique) a permis de diminuer l’encombrement des antennes en gardant une bonne sensibilité (0,05 pT/(H z) 1/2 à 1 kHz). Dans le même temps, l’électronique du préamplificateur a été intégrée en utilisant une technologie tridimensionnelle développée par la société française 3D PLUS, ce qui a permis de réduire sa masse à 37 grammes. Le plus lourd est maintenant ce qu’on ne peut pas réduire  : la connectique. Ces instruments nombreux et performants fournissent des quantités de données gigantesques, trop importantes pour être transmises au sol par l’antenne de télémesure. Dans le mode appelé «burst» où toutes les données sont acquises à la meilleure résolution possible, il suffit de 15 minutes de données pour remplir la bande passante du satellite sur une journée. Il a donc fallu mettre au point une stratégie pour optimiser les données transmises au sol. La méthode retenue est la suivante  : toutes les données sont stockées à haute résolution dans la mémoire du satellite pendant une semaine et un logiciel sélectionne les périodes intéressantes. Mais elles sont aussi transmises au sol dans un mode sommaire pour être analysées par le «Scientist In The Loop» KarenC. Fox/NASA ⎪J⎪ [μA m -2] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 (SITL). Celui-ci met des notes à chaque intervalle suivant ce qu’il pense être des événements intéressants. Quand il met une note très élevée, les données en mode «burst» sont transmises au sol très rapidement. Quand il met une note moins bonne, le système attend avant de transmettre pour voir s’il n’apparait pas un événement plus intéressant qui pourrait remplacer celui-ci. La responsabilité du SITL tourne toutes les semaines entre les équipes qui sont Avancées de la recherche CLUSTER ⎪J⎪ FPI = en e ⎪(V i -V e) ⎪ ⎪J⎪ rotB = ⎪∇xB⎪/μ O 0 10 20 30 40 50 60 Temps en secondes depuis 13:06:30, le 16 octobre 2015 4. Les détecteurs de l’instrument FPI (»Fast Plasma Instrument»). La plate-forme octogonale du satellite est représentée à droite, avec quatre paires de détecteurs de FPI (encadrés de jaune) et leurs champs de vue respectifs en couleur (tiré de Pollock et al., 2016). Pour comparaison, le champ de vue de l’expérience comparable sur Cluster est indiqué en bleu sur le détecteur 1. La photo de gauche est un zoom sur une paire de détecteurs. 5. Calcul de la densité de courant à partir de l’équation de Maxwell-Ampère (en rouge) et à partir des mesures des vitesses des particules (en noir). La première méthode ne peut fonctionner qu’avec quatre satellites. La seconde se déduit directement des mesures faites à bord d’un satellite  : les quatre satellites voyant sensiblement la même chose, on a donc représenté la moyenne. impliquées dans le projet, de manière à ce qu’il n’y ait pas de biais dans la sélection. Cette collaboration entre l’homme et l’ordinateur fonctionne à merveille et permet de ne rien rater  : les événements de reconnexion sont imprévisibles et irréguliers, il peut se passer beaucoup de choses un jour, puis rien le lendemain. De cette façon, on peut transmettre au sol toutes les données nécessaires quand on observe un cas intéressant. » > Reflets de la Physique n°59 23



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