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Emissions radio planétaires
Aspects théoriques (théorie du ‘maser’)
Philippe LOUARN -
CESR, Toulouse
Emissions radio: phénomène général dans les magnétosphères (Terre,
Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune)
Intimement liées à l’activité magnetosphérique et aux accélérations de
particules.
Existent aussi dans les couronnes (Soleil et étoiles).
Mécanisme de génération
‘mystérieux’ pour un
phénomène universel.
Apporte des renseignements
sur la structure
magnétosphérique.
-> Joli problème de physique
des plasmas.
Témoins précis de la
dynamique magnétosphérique.
Un des processus magnétosphériques les mieux compris et décrits…
quoique...
Plan
1- Exemples, historique
2- Le Maser Cyclotron
2.1 L’instabilité, importance des effets relativistes
2.2 La théorie initiale (Wu and Lee, 79)
2.3 Applications, calculs du flux
3- Le Maser dans son contexte
3.1 Mesures directes dans les sources.
Identification de ‘l’énergie libre’
3.2 Liens avec l’accélération
3.3 Le modèle des ‘cavités ’ . Génération des différents modes
4- Conclusion
Exemples
Saturn kilometric
radiation (SKR)
Sources
Des phénomènes
similaires dans des
magnétosphères
en rotation…
Généralités (émissions de type ‘auroral’)
-Découverte: ~ 1955 (Jupiter), ~1965 (Terre)
-Fréquences: de ~ 100 KHz à qq 10 MHz -> ordre de grandeur des fréquences
caractéristiques électroniques (plasma, gyro.).
-Flux intenses (qq MW) -> Températures de brillance extrêmes
Tb > 1020 K
Ne peut pas être du synchrotron -> Il faut des mécanismes de génération cohérents
(instabilités…)
- Historiquement: longtemps on a pensé à des mécanismes de conversion de
modes (comme les types III solaire).
Faisceau de particules se propageant dans le milieu -> génération d’une turbulence
électrostatique -> conversion de modes (w,k)+(w’, k’) -> (w+w’, k+k’) : transfert
d’énergie vers des modes électromagnétiques rayonnants.
Emission à wp ou 2 wp. (emission ‘plasma’ ).
Généralités
Tournant dans les années ~ 1975-80 (Gurnett et al ,74, Hawkeye. premier satellite
dans les hautes latitudes avec un ‘bon’ récepteur radio) :
- Emissions venant de ‘sources aurorales’
- générées au voisinage de la gyrofréquence des électrons (qq 100 kHz)
- dans des régions de faibles wp / wc , sur le mode X en propagation quasi
perpendiculaire.
Sources
Rayonnements
Courtesy: RPWS Cassini
Conditions contraires aux
nécessités d’un mécanismes
d’émissions ‘plasma’…
A. Lecacheux
Trouver autre chose !
Rappel :propagation HF dans les plasmas
- Tenseur de dispersion
(plasma froid)
z
B0
q
x
k//
y
X
w
Ray. Radio
k^
O
Coupure X
Propagation perpendiculaire:
Mode Ordinaire (O)
wc
Z
Mode Extraordinaire (Z, X)
wp
k
Polarisation des ondes
X
w
z
B0
Ray. Radio
y
O
k
E
x
wc
Mode X près de la coupure: Polarisation ‘Droite’
Z
E ‘tourne dans le sens des électrons.
wp
E
k
B0
k
y
Mode 0: Polarisation // à B0
x
Si la coupure X est proche de wc, le mode X devrait pouvoir efficacement
interagir avec les électrons.
Comment ? , Quel mécanisme ?... Peut -on le rendre instable ?
Le Maser Cyclotron: Propagation en plasma chaud
Décrire l’interaction de l’onde avec une population d’électrons ‘énergétiques’
(qq keV). On considère une onde électromagnétique, on calcule comment elle perturbe la
fonction de distribution, on déduit la perturbation de courant (tenseur diélectrique), on fait
l’analyse de la stabilité.
Vlassov:
Perturbée:
(avec des polarisations circulaires, en prenant en compte les effets relativistes)
Solution:
On intègre pour la pertubation de courant
Facteur de Lorentz
CAPITAL dans la suite
puis on injecte dans Maxwell pour obtenir la
relation de dispersion.
Equation de dispersion
Mode X au voisinage de la coupure. On ne garde que le terme de polarisation droite des ondes.
Dénominateur résonant (pole cyclotron):
Pourquoi garder la correction relativiste pour des électrons de qq 10 keV ?
Coupure du mode X:
Dans les conditions ‘aurorales’, on a:
Milieu fortement magnétisé et de faible
densité: coupure très proche de wc
Correction relativiste:
Relation de résonance:
Tous les termes deviennent comparables, on ne peut négliger la correction relativiste !
Instabilité Maser Cyclotron
Une très bonne idée !(Wu and Lee, 79): La prise en compte de la correction
relativiste (négligée auparavant) change qualitativement l’interaction onde/particles.
Support de propagation assuré
par le plasma froid
Partie imaginaire liée à la résonance
avec la population ‘chaude’
Si G =1, la courbe de résonance est une droite v//=(w-wc)/k//.
Terme imaginaire négatif, il n’y a pas d’instabilité.
Si G =1+(v2/2c2), la courbe de résonance devient
une ellipse dans le plan v^, v//.
Le terme imaginaire peut être positif si:
Une instabilité devient possible, le milieu peut
amplifier des ondes dans le domaine radio
V^
Zone de
df/dv^ >0
v//
Intégration des gradients
df/dv^ le long de l’ellipse de
résonance.
Le modèle initial du Maser
Cyclotron
On a un mécanisme d’amplification, il faut le faire
fonctionner dans la réalité…
Amplification par des électrons énergétiques (qq 10
keV) qui sont réfléchis et présentent un ‘cone de
perte’ (df/dv^ positif). (Wu et Lee, 1979)
Etablit un lien avec l’activité de la
magnétosphère
Reflection et
rayonnements
Précipitation et
accélération
des e-
Instabilité d’une
configuration
k
Aspect quantitatif: calculer le niveau des ondes
Beaucoup de possibilités, difficile d’établir un modèle universel.
1) Convection:
- Ondes sortent de la zone d’amplification:
L
Dépend fortement de L,
que l’on ne connait pas…
2-1) Non linéaire: - Diffusion quasi linéaire (turbulence faible)
v^
Zone de
df/dv^ >0
Etat final: Les ondes ‘rabotent’
v^
les gradients
v//
v//
Système non linéaire couplé, permet des
comportements dynamiques intéressants
(Chaos, Spikes). (Aschwanden, Benz,
87,88)
W
t
Aspect quantitatif: calculer le niveau des ondes
2-2) Non linéaire: - Piégeage (théorie monochromatique). particules oscillent dans le
potentiel de l’onde
(Roux, LeQuéau, 1984)
Saturation: fréquencece de piégeage = taux de croissance
Donne un maximum absolu du flux. (Application à Saturne, Galopeau,88)
3) Non homogénéité: gradients du milieu limitent la zone de résonance. (LeQuéau, 1986)
Calcul ‘full wave’: suppose
J(z) est obtenu en tenant compte de
la variation spatiale de la résonance.
Solution WKB permet le
calcul de la variation spatiale
de la résonance.
Seuls exemples de calculs
effectifs du niveau final des
ondes !
Limitation de l’amplification des ondes.
On peut calculer la fonction de transfert et obtenir le
niveau des ondes à partir du bruit thermique
(Zarka et al, 1987)
Le Maser dans son contexte: Exploration des sources de rayonnement
(VIKING, FAST)
‘VIKING’ : Les sources AKR sont très
exactement les régions d’accélération.
Petites régions avec E//
ONDES
Le champ crée les fonctions instables
-> E// est la ‘pompe’ du MASER
(Louarn: JGR, 89)
Fc
Fp
Source
A model of maser in completely hot (relativistic)
plasma
Particules
Modèle de génération dans des cavités
Sources de l’AKR:
- Régions de faible densité
(Fp/Fc < 0.1 interne, Fp/Fc ~0.3 externe)
-Régions dominées par une population
chaude.
(~ 5 keV)
-Petite dimension perpendiculaire à B (~ 10
km)
ONDES
Un modèle de ‘couche’ pour la source:
B(z)
Cavity
External
Hot – teneous
cold – dense
5 keV
10 eV
Fp/Fc < 0.1
Fp/Fc ~0.3
Z
A few 10 km, meaning a
few wavelengths
Y
Particules
X
Liens avec l’accélération
Existence de E//:
-Evacue les électrons de basse énergie.
-> Possibilité d’une instabilité totalement relativiste. (Plus efficace)
-Forme l’énergie libre pour l’instabilité.
-> Trapped population (df/dv^>0 pour v//=0)
ONDES
Particules
Accélération: rôle des ondes d’alfvens
Toutes les magnétosphères sont capables d’accélérer les particules
(accélération // à B). Energie: qq 10 keV, efficacité: qq 10 % Processus ?
Dans un plasma sans collision E// est nul à priori …
Code gyrocinetique électromagnétique – 2D
(Génot ,Mottez, 2001)
Simulations numériques: évolution non-linéaire vers les petites échelles
Cham
p
Thermalisation
Particules
Accélération initiale
Temps
Observation d’une évolution non-linéaire
complexe: l’onde initiale se fractionne en
structures électrostatiques intenses.
Passage d’ondes d’Alfven à des doubles
couches fortes. Potentiellement important
pour comprendre le détail de
l’accélération.
Parallel Field
Génération de l’AKR dans une cavité
Louarn and LeQuéau, (a, b), Planet.Space Sci., 1996
La cavité fait l’office d’un guide d’onde amplificateur:
- 1) On n’a pas le maser cyclotron standard dans la source. Propagation affectée par les effets
relativistes. Coupure du mode X sous Fc, amplification possible pour une propagation
strictement perpendiculaire. df/dVper > 0 at V// =0 peut être utilisée.
ONDES
- 2) Cependant, l’énergie générée sur le mode X dans la source ne peut pas se connecter
directement avec le mode X externe ! Une conversion linéaire de mode se met en place. La
source peut générer du X, O et Z. Une physique plus complexe qui peut mener à
l’émission de différentes polarisations.
Particules
Théorie
Maser dans une cavité (Louarn, Le Quéau, 1996):
Vlassov/Maxwell, système de 2 equations sur E// et H//.
Les conditions de continuité à l’interface (Ey,E//,Hy, H//) donne l’équation de
dispersion:
s=(1-2c)/(1-c)
Solutions - > Modes discrets instables. Quantification des solutions.
Possible formation de structures fines dans le rayonnements
Caractéristiques de l’instabilité
Quantification:
Dw: quelques 100 Hz ?
Polarisation:
N// non nul: polarisation
X/O complexe. Bien
différent du cas homogène.
Connexion difficile avec
le plasma externe:
Pas de possibilité directe de
connexion X -> X.
Sortie de la source, organisation spatiale et spectrale
k
B(z)
Connection avec le mode X
externe. De loin la connexion la
plus efficace. Effet fort sur le cône
d’émission.
k
Pas ou peu de connexion avec le
mode O.
Upward
propagation
Initial instability:
Relativistic X mode
La proportion X/O dépend de
l’écart entre la gyrofréquence (où
se fait la génération) et la coupure
du mode X externe. La proportion
de mode O augmente avec l’écart:
fort Fp/Fc = plus de mode O
Source
Connection possible avec le mode Z .
Cette part de l’énergie ne sort pas de
l’environnement…
Observations (1)
4 examples of source crossing (Louarn, 1996):
Clearly, different components…
With different polarisation (see spin
modulation)
Evidences for partial trapping in the
sources ?
Almost no Z mode
Vérification expérimentale
Observation (2)
Study of polarisation:
Antenna/B angle
-X mode in the source.
-X and O mode outside
Pure O mode for the largest
‘Fp/Fc’ source !
Individual spectra:
Source
Conclusions
Les émissions radio aurorales
1) Un des phénomènes magnétosphériques les mieux compris.
Un objet unique pour étudier et comprendre la dynamique des
magnétosphères.
2) Des études qui ont permis une excellente synthèse entre:
- les observations in-situ et remote sensing.
- Liens entre les structures macroscopiques et les phénomènes
microscopiques. (modèle de cavité)/ (mécanisme Maser).
une organisation étonnante des plasmas sans collision !
Un manque: pas de théorie quantitative complète ! On ne sait
pas interpréter et/ou prévoir le niveau de ce type d’ondes
radio
What about the Y direction ?
A mystery: With Viking (confirmed later with Fast), almost no Z si seen.
The theory shows that for ky=0 propagation, the connection with Z mode is almost
perfect !!
B(z)
Source
Initial instability:
Relativistic X mode
Perfect connection with Z mode
No energy remains available for upward
propagation and X/0 mode generations
Solution: Propagation at large Ky ! . The radiation diagram is not
isotropic. Longitudinal (meridional) direction dominant…
See most recent study:
Generation and propagation of cyclotron
maser instability in the finite auroral
kilometric radiation source cavity,
Pritchett et al, JGR, 2002.
Results: (2) Escaping the source ?
Upward propagation in the
source (towards smaller B):
The energy escapes when the
external X mode cut-of is below
the frequency of the internal
unstable modes
In principle, a rather complex
theory
‘WKB’ model
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