Dès le début de l'ère spatiale, on a observé que la magnétogaine était le siège de fluctuations intenses. Nous considérerons ici les fluctuations électriques et magnétiques (électromagnétique, e.m.) de 8 Hz à 300 Hz environ, et les fluctuations électriques (électrostatiques, e.s.) de 300 Hz à 4 kHz. De quoi dépend l'intensité de ces ondes ?
En 1985, Rodriguez a noté que les ondes e.s. semblaient plus intenses près du choc, et les ondes e.m. plus intenses près de la magnétopause; mais il n'a pas proposé d'explication (première énigme).
En 1994, Coroniti a constaté que les ondes e.s. étaient moins intenses quand l'angle aBV entre le champ B et la vitesse V était de 90°. Mais il n'a pas réussi à expliquer ce fait (seconde énigme).
Quel est le mot de ces énigmes ? Nous allons voir que c'est l'effet Doppler.
• 1 Anisotropies des distributions des vecteurs d'ondes
CLUSTER observations in the magnetosheath:
Anisotropies of the wave vector distribution
André Mangeney, Catherine Lacombe, Milan Maksimovic, Andrey Samsonov et al.
Nos observations avec les satellites Cluster ont confirmé le rôle joué par l'angle aBV: la Figure 1a montre des ondes e.m. dont l'intensité est maximum quand aBV ~ 90°; et la Figure 1b des ondes e.s. dont l'intensité est minimum à 90°.(L'angle aBV varie au cours du temps parce que la direction de B change, celle de V étant plus stable). Ces variations d'intensité des ondes à fréquence fixe s'expliquent par le décalage en fréquence dû à l'effet Doppler f = k V cos(akV), où k est le vecteur d'onde et akV l'angle entre k et V.
Supposons, ce qui est probable, que les fluctuations avec de petits k (grandes échelles) soient nettement plus intenses que celles avec de grands k: à f donnée (et pour V donnée) on observera des k petits (intenses) si akV est petit et des k grands (moins intenses) si akV ~ 90°. La Figure 1b s'explique alors si on admet que akV aBV, c'est-à-dire si les k des ondes e.s. sont parallèles à B. Quant à la Figure 1a, elle implique que les k des ondes e.m. sont perpendiculaires à B.
Grâce aux variations d'intensité des ondes à fréquence fixe quand l'angle aBV varie, on a pu modéliser les fonctions de distribution des vecteurs d'ondes e.m. et e.s., à des échelles inférieures à 100 km . C'est donc l'effet Doppler qui explique l'énigme des variations d'intensité des ondes avec l'angle aBV.
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Figure 1 : a – à gauche- Toutes les 4 secondes pendant 6 heures, on mesure l'intensité Wem des fluctuations magnétiques à 8,8 Hz, et l'angle aBV local entre le champ B et la vitesse V. Le trait plein donne la médiane des points. On voit que Wem est maximum pour aBV ~ 90°. B – à droite - L'intensité Wes des fluctuations électriques à 891 Hz en fonction de l'angle aBV. On voit que Wes est minimum pour aBV ~ 90° |
2. Invariance du spectre des vecteurs d'ondes électromagnétiques
CLUSTER observations in the magnetosheath:
Intensity of the turbulence at electron scalesIntensity of the turbulence at electron scale
Catherine Lacombe, Andrey Samsonov, André Mangeney, Milan Maksimovic et al.
Voyons maintenant l'énigme des variations d'intensité des fluctuations d'une région à l'autre de la magnétogaine. Divers auteurs ont noté que les ondes électromagnétique (e.m.) aux basses fréquences (< 10 Hz) semblaient plus intenses quand la pression dynamique Pdyn du vent solaire était plus forte. A de plus hautes fréquences (> 10 Hz) nous aussi trouvons (Figure 2a) que l'intensité des ondes e.m. augmente quand Pdyn ~ N V 2 augmente dans la magnétogaine (et dans le vent solaire). Mais quand V 2 augmente, le décalage Doppler augmente: une fréquence f donnée est atteinte par des ondes avec des k plus petits, qui sont plus intenses. Les variations d'intensité à 11 Hz sont simplement dues à l'effet Doppler dans le repère du satellite. En effet, si l'on trace l'intensité e.m. non plus à fréquence fixe mais pour un k fixé supposé parallèle à V (Figure 2b), on voit qu'elle ne dépend plus de Pdyn: l'intensité du spectre des vecteurs d'ondes e.m. est invariante.
Ceci nous conduit à penser que les variations d'intensité des ondes à fréquence fixe, observées d'une région à l'autre de la magnétogaine, pourraient n'être dues, elles aussi, qu'à l'effet Doppler. En effet, des simulations numériques du plasma de la magnétogaine ont permis de cartographier les régions où l'angle aBV (dont dépend l'effet Doppler) atteint 90°: dans ces régions, on trouve les ondes e.m. les plus intenses, et les ondes e.s. les moins intenses. La disposition de ces régions dans la magnétogaine dépend de la direction du champ magnétique interplanétaire.
C'est donc l'effet Doppler qui explique la seconde énigme, les variations d'intensité des fluctuations d'une région à l'autre de la magnétogaine. Ceci, du moins, pour les fréquences > 8 Hz que nous avons considérées dans ces deux articles, et qui correspondent à des échelles inférieures à 100 km .
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Figure 2: a) Pour quatre jours (les quatre couleurs), intensité Wem des fluctuations magnétiques à 11 Hz en fonction de la pression dynamique Pdyn mesurée toutes les 4 secondes. On voit que Wem augmente quand Pdyn augmente. b) L'intensité Wem des ondes e.m. à la fréquence fpe V/c obtenue par le décalage Doppler pour l'échelle 1/k = longueur inertielle des électrons; f pe et V dépendent du temps. On voit que Wem ne dépend plus de Pdyn. |
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Contact : A. Mangeney / C. Lacombe |
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