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Un numéro spécial de la revue GRL sur les premiers résultats de la mission MMS

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Figure 1
Vue d’artiste de la mission MMS ©NASA

La mission Magnetospheric Multiscale (MMS) de la NASA est constituée de quatre satellites évoluant en formation tétraédrique dans la magnétosphère terrestre [1]. Après une période de 6 mois consacrée à la mise en fonctionnement des instruments et à la validation des données produites, la phase d’analyse scientifique a débuté le 1er septembre 2015. Cette dernière est divisée en deux phases orbitales principales pour explorer les régions clefs de la magnétosphère terrestre : la phase 1 est dédiée à l’étude du côté jour de la magnétopause, des flancs et de la queue géomagnétique proche (apogée à 12 rayons terrestres, Rt), la phase 2 à l’étude de la queue géomagnétique à distance moyenne de la Terre (apogée 25 Rt).

Son instrumentation de nouvelle génération et les distances inter-satellites visent à étudier ces processus physiques à l’échelle de la dynamique des électrons. La distance moyenne inter-satellite de la configuration tétraédrique varie de 160 km à 10 km pendant le début de la phase 1 complétant les échelles étudiées par Cluster (10 000 km à 100 km). De plus, les mesures des particules se sont affranchies de la limitation associée à la rotation du satellite (4 s sur Cluster) par l’augmentation du nombre des têtes de mesure, les fonctions de distribution des électrons sont ainsi mesurées avec une résolution temporelle de 30 millisecondes (ms) et celles des ions à 150 ms. La période de rotation du satellite a été allongée à 20 s pour permettre la mesure du champ électrique le long de l’axe de rotation par des antennes rigides, la mesure dans le plan de rotation s’effectuant par des sondes sphériques reliées aux satellites par des câbles de 60 m du type de celles utilisées sur Cluster. Les trois composantes du champ électrique sont donc mesurées et notamment la composante parallèle au champ magnétique ambiant qui est suspectée de jouer un rôle prépondérant dans l’accélération des particules. La mesure du champ magnétique quasi-continu est assurée par deux magnétomètres chacun situé au bout d’un mât de 5 m de longueur afin de limiter les perturbations électromagnétiques dues au satellite. La stratégie adoptée pour gérer le volume de télémétrie est de fonctionner en mode haute cadence pendant toute la traversée de la région cible (> 7 Rt côté jour), de stocker les données dans la mémoire de bord, puis de sélectionner à partir des données basse résolution transmises au sol les périodes de haute résolution à transmettre en priorité. La base de données de niveau 2 (grandeurs physiques) est ouverte au public depuis le 1 mars 2016 et les données doivent être produites en continu un mois après leur réception au sol.

La contribution française comprend l’instrument search-coil magnetometer (SCM) conçu, réalisé et étalonné par le LPP [2] au sein du consortium « Fields » [3] et la fourniture et l’étalonnage des détecteurs à micro-canaux (MCP) par l’IRAP pour l’instrument dual ion spectrometer « ions » (DIS) du consortium Fast Plasma Investigation (FPI) [4].

Premiers résultats lors de la phase de mise en route des instruments

Au mois de mai 2015, alors que les satellites MMS évoluaient en configuration de collier de perles (« string-of-pearls ») dans le secteur soir de la queue géomagnétique à environ 11 Rt et que seuls les instruments « Fields » étaient en fonctionnement, un front de dipolarisation (« dipolarization front ») a été détecté [5]. Ces fronts de dipolarisation sont associés à une augmentation brutale du champ magnétique dans la direction du champ dipolaire terrestre et à des jets de plasma dont la formation serait due soit à une instabilité dite d’interchange de tube de flux magnétique soit à un processus de reconnexion magnétique dans la queue lointaine. En l’absence de mesures particules, la vitesse du plasma a été estimée à partir de la dérive électrique (ExB/B2E est le vecteur champ électrique et B le vecteur champ magnétique). A partir de cette estimation, il a pu être mis en évidence que le plasma se déplaçait à une vitesse de plus de 100 km/s dans la direction normale au front. Une intense émission d’ondes de sifflement (« whistler ») a été mesurée juste après le passage du front (Figure 2) se propageant de part et d’autre de l’équateur magnétique vers les régions aurorales. Grâce aux mesures multi-satellites, il a pu être montré que l’orientation du front et l’émission d’ondes de sifflement variaient à l’échelle de temps de la dynamique des ions au cours de la propagation ce qui n’avait pas pu être mis en évidence jusqu’à présent par la mission Cluster.

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Figure 2
A gauche : composantes verticale et module du champ magnétique. Spectrogramme dynamique des fluctuations magnétiques mesurées par SCM entre 1 et 128 Hz pour chacun des quatre satellites. A droite : rotation de l’orientation du front lors de la propagation vers la Terre.

La magnétopause aux échelles ioniques et électroniques

La constellation MMS a rencontré la magnétopause le 16 octobre 2015 vers 13:05:40 UT (Fig. 3) et a simultanément détecté un jet de plasma dirigé vers le sud. Avant la traversée de la magnétopause, une émission quasi-stationnaire d’ondes de sifflement se propageant obliquement vers le nord a été identifiée grâce à une analyse de polarisation effectuée à partir des mesures de SCM [6]. Ces ondes de sifflement possèdent une composante de champ électrique parallèle capable d’accélérer les électrons résonants vers l’ionosphère. Cette émission s’interrompt juste avant l’ouverture des lignes de champ magnétique et l’apparition d’un champ électrique de Hall (jxB/(qe ne)) qui permet le découplage des ions avec les lignes de champ magnétique et les électrons. Le champ électrique de Hall est obtenu à partir du calcul du courant électrique rendu possible par la mesure du champ magnétique en quatre points, comme dans le cas de Cluster. Le très bon accord entre ce courant et celui obtenu indépendamment à partir des mesures particules permet d’écarter les artefacts. L’ouverture des lignes de champ magnétique est déduite de la disparition des électrons énergétiques dans la direction antiparallèle au champ magnétique. Côté magnétogaine, le champ de Hall est aussi présent mais son amplitude est plus faible en raison de l’augmentation de la densité. D’intenses émissions d’ondes de sifflement sont aussi détectées en propagation quasi-parallèle, et dont l’origine peut être attribuée à l’anisotropie de température perpendiculaire des électrons.

Ces premiers résultats de la mission MMS montrent bien la nécessité d’une très haute résolution temporelle des instruments ondes et particules ainsi qu’une fine résolution spatiale (petite distance inter-satellite <100 km) pour comprendre les processus physiques qui se développent dans les régions d’interface entre deux plasmas comme à la magnétopause terrestre ou dans un plasma turbulent comme celui présent dans la magnétogaine. Les prochaines phases de la mission dans la queue proche, à la magnétopause et dans la queue plus lointaine vont fournir à la communauté internationale un ensemble complet de mesures à l’échelle de la dynamique des électrons dans toutes les régions clés de la magnétosphère terrestre.

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Figure 3
Composantes du champ magnétique dans le repère LMN lié à la magnétopause. L est dirigé vers le Nord, N vers le Soleil et M complète le trièdre. Les fluctuations électriques et magnétiques sont filtrées entre 32 et 4096 Hz. Densités spectrales de puissance des fluctuations électriques et magnétiques. Les courbes blanches indiquent la 0,1fce, 0,5fce et fce fréquence de giration des électrons. Les panneaux suivants présentent l’angle de propagation et l’ellipticité fournis par l’analyse de polarisation. La composante du vecteur de Poynting, les températures parallèle et perpendiculaire des électrons, le paramètre alpha -1 avec alpha = Tperp,e/Tpara,e, le beta parallèle des électrons, les courants parallèle, perpendiculaire et total obtenus à partir des mesures particules, la DAA des électrons pour trois gammes d’énergie.

L’ensemble des premiers résultants de MMS se trouvent dans le numéro special du journal Geophysical Research Letters (GRL).

Références

[1] Burch, J. L., et al. (2015), Magnetospheric Multi-scale Overview and Science Objectives, Space Sci. Rev.
[2] Le Contel, O., et al. (2014), The Search-Coil Magnetometer for MMS, Space Sci. Rev.
[3] Torbert, R. B., et al. (2014), The FIELDS Instrument Suite on MMS : Scientific Objectives, Measurements, and Data Products, Space Sci. Rev.
[4] Pollock, C., et al. (2016), Fast Plasma Investigation for Magnetospheric Multiscale, Space Sci. Rev.
[5] Breuillard, H., et al. (2016), Multispacecraft analysis of dipolarization fronts and associated whistler wave emissions using MMS data, Geophys. Res. Lett.
[6] Le Contel, O., et al. (2016), Whistler mode waves and Hall fields detected by MMS during a dayside magnetopause crossing, Geophys. Res. Lett.


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