Microphysics of magnetic reconnection in near-Earth space : spacecraft observations and numerical simulations

La microphysique de la reconnexion magnétique dans l'espace 'near-Earth' : observations par satellite et simulations numériques La reconnexion magnétique est un processus fondamental de conversion d'énergie qui se produit dans les plasmas spatiaux ainsi que dans les plasmas de laboratoire. La reconnexion a lieu dans des couches de courant très fines et a comme conséquence la reconfiguration de la topologie magnétique et la conversion d'énergie magnétique dans l'accélération et le réchauffement des particules. Actuellement, le rôle de la reconnexion magnétique est reconnue comme un processus majeur dans l’environnement Soleil-Terre, depuis la couronne solaire jusque dans vent solaire, dans la magnétogaine ainsi qu'à la magnétopause et dans la queue magnétique. La reconnexion se déclenche dans la région de diffusion électronique. Dans cette région, les électrons se démagnétisent et sont accélérés par les champs électriques de reconnexion. Malgré les progrès déterminants dans la compréhension du processus de la reconnexion magnétique qui ont été accomplis grâce à l'utilisation des mesures in-situ en synergie avec les simulations numériques, la physique de la région de diffusion aux échelles électroniques est encore largement inconnue. Ce n'est que dans les dernières années, avec le lancement de la mission Magnetospheric MultiScale (MMS) et l'impressionnant augmentation des capacités de calcul des superordinateurs, que la dynamique de la région de diffusion électronique a commencée à être comprise. Une des questions fondamentales - qui reste encore sans réponse - est de comprendre si la structure de la région de diffusion électronique est homogène ou hétérogène aux échelles électroniques et même au-dessous de ces échelles.La finalité de ma recherche est d’avancer dans la compréhension de la structure de la région de diffusion des électrons avec deux approches diffèrent : les observations par satellites et simulations numériques complètement cinétique de type Vlasov.La première partie de ce mémoire présente les observations issus des satellites MMS en traversant la magnétopause en proximité du point sub-solaire et avec une séparation très petite entre les satellites (∼ 6 km) i.e. comparable à la longueur d'inertie des électrons d_e ∼ 2 km. L’analyse des donnée montre que la région de diffusion électronique n'est pas homogène en terme de courant électrique et de champ électrique aux échelles électroniques et que la distribution spatiale de la conversion d'énergie est irrégulière aux échelles électroniques. Ces observations indiquent que la structure de la région de diffusion électronique peut être bien plus compliquée que ce qu'indiquent des études expérimentales antérieures et les simulations numériques de type PIC.La présente analyse des données MMS a souligné la nécessité de réaliser des simulations avec une résolution spatiale plus élevée et un bruit numérique négligeable - en particulier pour le champ électrique - pour progresser dans la compréhension des processus cinétiques qui interviennent aux échelles électroniques. En poursuivant cette motivation, la deuxième partie du mémoire est consacrée à l'étude de la région de diffusion électronique en utilisant un nouveaux modèle Eulérien Vlasov-Darwin complètement cinétique qui nous avons implémenté dans le code numérique ViDA. Le code ViDA a été spécifiquement conçu pour perfectionner notre compréhension de la dynamique des plasmas non collisionnels aux échelles cinétiques en donnant accès aux détails de la fonction de distribution électronique dans l’espace de phase. Une première partie est consacrée aux tests du code avec une simulation 2D de la reconnexion magnétique symétrique. Les données de simulation avec bruit négligeable ont été utilisées par la suite pour étudier la contribution des différents termes qui forment la loi d’Ohm dans la région de diffusion électronique. Nous avons traité en particulier la contribution du terme d’inertie électronique qui est responsable de la démagnétisation des électrons.