Structure and dynamics of the interface between interlacing flux tubes observed at the Earth's magnetopause by MMS mission

La reconnexion magnétique est un processus omniprésent et fondamental dans la physique des plasmas spatiaux. La "Magnetospheric multiscale mission" (MMS) de la NASA, lancée le 12 mars 2015, a été conçue pour fournir des mesures in-situ permettant d'analyser le processus de reconnexion dans la magnétosphère terrestre. Dans ce but, quatre satellites identiquement instrumentés mesurent les champs électromagnétiques et les particules chargées dans les régions de reconnexion, avec une résolution temporelle cent fois meilleure que celle des missions précédentes. MMS permet, pour la première fois, d'étudier les structures microscopiques associées à la reconnexion magnétique et, en particulier, la région de diffusion électronique. Au niveau de la magnétopause terrestre, la reconnexion magnétique a un rôle chef dans le transport de l'énergie du vent solaire vers la magnétosphère terrestre, en convertissant l'énergie magnétique en énergie cinétique et thermique. Les événements à transfert de flux (FTEs) sont considérés comme l'un des produits principaux et les plus typiques de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. Cependant, des structures magnétiques 3D plus complexes, avec des signatures similaires à celles des FTEs, peuvent également exister à la magnétopause. On retrouve, par exemple, des tubes de flux entrelacés qui résultent de reconnexions magnétiques ayant eues lieu à des sites différents. La première partie de cette thèse étudie l'un de ces événements, qui a été observé dans des conditions de vent solaire inhabituelles, au voisinage de la magnétopause terrestre par MMS. Malgré des signatures qui, à première vue, semblaient cohérentes avec un FTE classique, cet événement a été interprété comme étant le résultat de l'interaction de deux tubes de flux avec des connectivités magnétiques différentes. La haute résolution temporelle des données MMS a permis d'étudier en détail une fine couche de courant observée à l'interface entre les deux tubes de flux. La couche de courant était associée à un jet d'ions, suggérant ainsi que la couche de courant était soumise à une compression qui a entraîné une reconnexion magnétique à l'origine du jet d'ions. La direction, la vitesse de propagation et la taille de différentes structures ont été déduites en utilisant des techniques d'analyse de données de plusieurs satellites. La deuxième partie de la thèse fournit une étude complémentaire à la précédente et s'intéresse aux ondes observées autour de la couche de courant.Magnetic reconnection is a ubiquitous and fundamental process in space plasma physics. The NASA's Magnetospheric Multiscale mission (MMS) launched on 12 March 2015 was designed to provide in-situ measurements for analyzing the reconnection process at the Earth's magnetosphere. In this aim, four identically instrumented spacecraft measure fields and particles in the reconnection regions with a time resolution which is one hundred times faster than previous missions. MMS allows for the first time to study the microscopic structures associated with magnetic reconnection and, in particular, the thin electron diffusion region. At the Earth's magnetopause, magnetic reconnection governs the transport of energy and momentum from the solar wind plasma into the Earth's magnetosphere through conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies after a rearrangement of magnetic field lines. Flux Transfer Events (FTEs) are considered to be one of the main and most typical products of magnetic reconnection at the Earth's magnetopause. However, more complex 3D magnetic structures with signatures akin to those of FTEs might also occur at the magnetopause like interlaced flux tubes resulting from magnetic reconnection at multiple sites. The first part of the work presented in this thesis consisted of the investigation of one of these events that was observed, under unusual and extreme solar wind conditions, in the vicinity of the Earth's magnetopause by MMS. Despite signatures that, at first glance, appeared consistent with a classic FTE, this event was interpreted to be the result of the interaction of two separate sets of magnetic field lines with different connectivities. The high time resolution of MMS data allowed to resolve a thin current sheet that was observed at the interface between the two sets of field lines. The current sheet was associated with a large ion jet suggesting that the current sheet was submitted to a compression which drove magnetic reconnection and led to the formation of the ion jet. The direction, velocity and scale of different structures were inferred using multi-spacecraft data analysis techniques. This study was completed with a plasma wave analysis that focused on the reconnecting current sheet

Structure et dynamique de l’interface entre des tubes de flux entrelacés observés à la magnétopause terrestre par la mission MMS

Magnetic reconnection is a ubiquitous and fundamental process in space plasma physics. The NASA’s MagnetosphericMultiscale mission (MMS) launched on 12 March 2015 was designed to provide in-situ measurements foranalyzing the reconnection process at the Earth’s magnetosphere. In this aim, four identically instrumented spacecraftmeasure fields and particles in the reconnection regions with a time resolution which is one hundred timesfaster than previous missions. MMS allows for the first time to study the microscopic structures associated withmagnetic reconnection and, in particular, the thin electron diffusion region. At the Earth’s magnetopause, magneticreconnection governs the transport of energy and momentum from the solar wind plasma into the Earth’s magnetospherethrough conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies after a rearrangement of magneticfield lines. Flux Transfer Events (FTEs) are considered to be one of the main and most typical products of magneticreconnection at the Earth’s magnetopause. However, more complex 3D magnetic structures with signatures akin tothose of FTEsmight also occur at the magnetopause like interlaced flux tubes resulting frommagnetic reconnectionatmultiple sites. The first part of the work presented in this thesis consisted of the investigation of one of these eventsthat was observed, under unusual and extreme solar wind conditions, in the vicinity of the Earth’s magnetopause byMMS. Despite signatures that, at first glance, appeared consistent with a classic FTE, this event was interpreted to bethe result of the interaction of two separate sets of magnetic field lines with different connectivities. The high timeresolution ofMMSdata allowed to resolve a thin current sheet thatwas observed at the interface between the two setsof field lines. The current sheet was associated with a large ion jet suggesting that the current sheet was submitted toa compression which drove magnetic reconnection and led to the formation of the ion jet. The direction, velocity andscale of different structures were inferred using multi-spacecraft data analysis techniques. This study was completedwith a plasma wave analysis that focused on the reconnecting current sheet.La reconnexion magnétique est un processus omniprésent et fondamental dans la physique des plasmas spatiaux.La "Magnetospheric multiscale mission" (MMS) de la NASA, lancée le 12 mars 2015, a été conçue pour fournirdes mesures in-situ permettant d’analyser le processus de reconnexion dans la magnétosphère terrestre. Dans cebut, quatre satellites identiquement instrumentés mesurent les champs électromagnétiques et les particules chargéesdans les régions de reconnexion, avec une résolution temporelle cent fois meilleure que celle des missions précédentes.MMS permet, pour la première fois, d’étudier les structures microscopiques associées à la reconnexionmagnétique et, en particulier, la région de diffusion électronique. Au niveau de la magnétopause terrestre, la reconnexionmagnétique a un rôle chef dans le transport de l’énergie du vent solaire vers la magnétosphère terrestre, enconvertissant l’énergie magnétique en énergie cinétique et thermique. Les événements à transfert de flux (FTEs)sont considérés comme l’un des produits principaux et les plus typiques de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. Cependant, des structures magnétiques 3D plus complexes, avec des signatures similaires à celles des FTEs, peuvent également exister à la magnétopause. On retrouve, par exemple, des tubes de flux entrelacés qui résultent de reconnexions magnétiques ayant eues lieu à des sites différents. La première partie de cette thèse étudiel’un de ces événements, qui a été observé dans des conditions de vent solaire inhabituelles, au voisinage de la magnétopause terrestre par MMS.Malgré des signatures qui, à première vue, semblaient cohérentes avec un FTE classique, cet événement a été interprété comme étant le résultat de l’interaction de deux tubes de flux avec des connectivités magnétiques différentes. La haute résolution temporelle des données MMS a permis d’étudier en détail une fine couche de courant observée à l’interface entre les deux tubes de flux. La couche de courant était associée à un jetd’ions, suggérant ainsi que la couche de courant était soumise à une compression qui a entraîné une reconnexionmagnétique à l’origine du jet d’ions. La direction, la vitesse de propagation et la taille de différentes structures ontété déduites en utilisant des techniques d’analyse de données de plusieurs satellites. La deuxième partie de la thèsefournit une étude complémentaire à la précédente et s’intéresse aux ondes observées autour de la couche de courant

Space-time resolved density of helium metastable atoms in a nanosecond pulsed plasma jet: influence of high voltage and pulse frequency

International audienceUsing tunable diode laser absorption spectroscopy, the spatio-temporal distributions of the helium He(23 S1) metastable atoms’ density were measured in a plasma jet propagating in ambient air. The plasma jet was produced by applying short duration high voltage pulses on the electrodes of a DBD-like structure, at a repetition rate in the range 1–30 kHz. In addition to the metastable density, the spatial distribution of helium 587 nm emission intensity was also investigated to give insight into the excitation mechanisms of the He(33 D) excited state inside the dielectric tube, in which no laser measurement can be performed. It is demonstrated that the shape of the radial distribution of helium He(23 S1) metastable atoms strongly depends on the polarity of the applied voltage and on the repetition frequency. For positive applied voltages, a dramatic constriction of the excited species production is observed whenever the pulse repetition frequency is higher than 6 kHz, and the voltage higher than 5 kV. This shrinking of the jet structure induces an increase by one order of magnitude of the metastable atoms’ density in the jet centre which reaches values as high as 1014 cm−3. Beyond a critical distance, associated to a transition between a positive streamer and a negative one, the distribution of the excited atoms gets back to an annular structure. For the negative polarity, no shrinking effect correlated to the pulse repetition frequency was observed. The on-axis constriction of the excited species for the high repetition rate and positive polarity is attributed to a memory effect induced by the negative ions, having a lifetime of hundreds of microseconds, left between successive pulses at the periphery of the helium gas flow