Objectifs
Des trous de densité électronique et des structures électriques bipolaires isolées (aussi appelés ondes solitaires) ont été observés dans la queue de la magnétosphère, près de l’onde de choc de la Terre, dans les régions aurorales, dans le vent solaire et même dans l’environnement de Europa, satellite de Jupiter. Des articles récents suggèrent que ces structures pourraient jouer un rôle important dans les processus de reconnexion magnétique. La compréhension des processus physiques à petite échelle spatiale (quelques longueurs de Debye) à l’origine de ces structures électrostatiques est donc fondamentale.
Il est couramment admis que ces structures résultent d’instabilités double faisceaux. Il s’agit d’instabilités engendrées par des jets d'électrons superposés et se propageant dans des directions opposées. Dans le cadre des simulations numériques cinétiques, le «double faisceaux» est reproduit avec la superposition de deux fonctions de distributions maxwelliennes d'électrons centrées sur la vitesse moyenne des faisceaux (même valeur, mais signe opposé).
Des observations obtenues dans le vent solaire lors d’émissions radioélectriques (de type III) montre la présence d'une ou plusieurs «bosses» dans la queue (partie à haute vitesse) dela fonction de distribution électronique. Ces «jets» d'électrons (les bosses) se déplacent dansle temps vers les plus basses vitesses, suggérant un effet de typebalistique important.
Dans cet article, les conséquences de l'injection dans un plasma sans collisions de fluctuations temporelles localisées de la fonction de distribution électronique sont étudiées, à partir de simulations de type cinétique. Ceci modélise la présence locale d'électrons à plus haute température.
Simulations
Les simulations sont basées sur la résolution de l’équation de Vlasov couplée à l’équation d’Ampère. La boîte de simulation comprend une dimension d’espace. Les conditions aux limites sont de type « ouvert » : les particules sortant du domaine de simulation sont perdues.
Deux espèces de particules sont considérées: ions et électrons. Le forçage du système s’opère à l’entrée de la boîte de simulation (X=0) en imposant des fluctuations continues de la vitesse thermique des électrons entrant dans la boîte (les ions ne sont pas perturbés).
Résultats
La séparation des charges induites par l’arrivée d’électrons «chauds» entraîne le développement de vortex dans l’espace des phases associés à des trous de densité d’électrons et des structures électriques dipolaires (Figure 1). Ces structures se propageant dans le plasma avec une vitesse de l'ordre de la vitesse thermique des électrons.
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Figure 1 Fonction de distribution électronique en fonction de l’espace et de la vitesse. Deux vortex y sont clairement identifiables. Les particules de vitesse v < 2v te peuvent être piégées: ils oscillent dans un puits de potentiel. Superposés et pour les mêmes positions spatiales, le graphe du champ électrique (en haut) montrant les structures électriques bipolaires et celui de la densité électronique (en bas) faisant apparaître les trous dans la densité électronique. |
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Ces vortex témoignent du piégeage des particules de faibles vitesses. On assiste donc à un filtrage en vitesse des électrons : les particules les plus lentes sont piégées tandis que les plus rapides peuvent se propager et suivent une trajectoire balistique (x=vt). La limite du filtrage se situe à 2v te (où v te désigne la vitesse thermique des électrons).
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Figure 2 |
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Conclusions
Notre mécanisme de forçage du milieu, simple à réaliser dans la nature puisqu’il n’implique qu’un modeste chauffage local, permet d’expliquer simplement l’apparition de structures électriques bi (ou multi) polaires. Il implique également un filtrage en vitesse.
Les particules non piégées engendrent l’apparition d’ondes de Langmuir. Celles-ci sont supposées être à l’origine de certains types d’émissions radio lors d’éruption sur le Soleil. Notre travail propose un mécanisme simple pour engendrer les ondes.
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Contact : Carine Briand |
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