LESIA - Observatoire de Paris

Couplage d’ondes dans le milieu interplanétaire

mercredi 17 décembre 2014, par Pierre HENRI, Carine BRIAND, Francesco CALIFANO, André MANGENEY

Emission de Type III
Emission de Type III

Intensité des émissions radio en fonction du temps et de la fréquence. L’émission de Type III se caractérise par une dérive dans le plan temps-fréquence (soulignée par des traits pointillés). Les émissions électrostatiques sont visibles vers 10kHz entre 11:15 et 11:45. Observations depuis le satellite WIND (NASA)

Les émissions radio pour connaître le milieu interplanétaire

Les émissions radio fournissent un moyen très efficace pour diagnostiquer à distance l’état du milieu interplanétaire. Prenons le cas des émissions de Type III. Elles sont parmi les plus intenses du domaine radio solaire. Situées dans la gamme 500kHz - 10 MHz [1], elles sont observées depuis l’espace et depuis des instruments au sol (au réseau décamétrique de Nançay par exemple). Au moins deux aspects rendent ces ondes particulièrement intéressantes :

  • Elles sont liées à des éruptions solaires et traduisent la propagation de faisceaux d’électrons dans le milieu interplanétaire ;
  • Leur fréquence nous renseigne sur la densité local du milieu.

Lors de telles d’éruptions solaires (ou flares selon l’appellation anglaise), des électrons sont fortement accélérés. Ils se propagent à une vitesse de l’ordre de 10 à 30 % de la vitesse de la lumière le long des lignes de champ magnétique interplanétaire. Ces particules déstabilisent le milieu (constitué essentiellement d’électrons, de protons et d’ions) au moment de leur passage et génèrent localement des ondes électrostatiques.

Ces ondes (dites ondes de Langmuir) oscillent à une fréquence proportionnelle à la racine carrée de la densité électronique du milieu [2]. La dérive temporelle des hautes vers les basses fréquences que l’on observe sur les spectres (voir la figure) traduit simplement la décroissance de la densité avec la distance au Soleil. Typiquement, la densité électronique du milieu interplanétaire au niveau de la Terre est de 1-10 particules/cm3, ce qui conduit à une fréquence de l’ordre de 10-30 kHz. Bien comprendre le processus physique conduisant à la production d’ondes électromagnétiques à partir de ces ondes électrostatiques est donc indispensable pour déduire les propriétés du milieu interplanétaire [3].

Une théorie connue, mais pas d’observations

Les premières théories pour expliquer le processus d’émission des ondes électromagnétiques datent de la fin des années 50. Une onde électrostatique de Langmuir L se décomposerait en une autre onde de Langmuir (dite onde fille - L’) et en une autre onde électrostatique (onde acoustique ionique - IAW) de plus basse fréquence :

L —> L’ + IAW

Cette décroissance de l’onde de Langmuir est un processus d’interaction à trois ondes. Les deux ondes électrostatiques se recombineraient ensuite pour produire une onde électromagnétique à une fréquence double de la fréquence plasma. Depuis les années 50, de nombreux travaux théoriques se sont développés pour améliorer ce modèle. Jusqu’à présent, aucune observation n’était venue confirmer l’existence d’un tel couplage d’ondes dans le milieu interplanétaire. Nous en apportons la preuve ici.

STEREO/WAVES fournit des données uniques

Exemple de forme d'onde
Exemple de forme d’onde

Exemple de mesure de forme d’onde. Le temps (en millisecondes) est indiqué en abscisse, l’amplitude du champ électrique est indiqué en ordonné. Chaque graphe correspond à une mesure sur une des trois antennes de STEREO/WAVES.

Jusqu’à présent, les observations in situ (avec des instruments embarqués à bord de missions spatiales telles que WIND), ont mis en évidence la présence simultanée des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques ioniques. Mais cette simultanéité ne suffit pas à confirmer le processus de couplage. Il faut en effet vérifier d’autres conditions :

  • la conservation de l’énergie,
  • la conservation de la quantité de mouvement
  • le couplage de phase.

Ces lois induisent des relations strictes entre les fréquences, les longueurs d’onde et les phases des ondes impliquées. La vérification de ces conditions du point de vue observationnel était jusqu’alors impossible. Il faut en effet avoir à disposition des données particulières : (1) des formes d’onde (une mesure de l’amplitude et la phase d’une onde en fonction du temps — voir Figure), (2) une gamme de fréquence étendue (qui permet de mesurer simultanément les "hautes" fréquences — ondes de Langmuir, typiquement 10kHz — et les "basses" fréquences — ondes acoustiques ioniques, typiquement 200Hz). Avant la mission STEREO, nous avions soit des mesures spectrales (donc pas de mesure de la phase des ondes), soit des formes d’onde sur des échantillons restreints en temps (empêchant la mesure des basses fréquences). Avec ses 130msec (soit presque 10 fois plus long que d’autres instruments), STEREO/WAVES nous fournit pour la première fois des échantillons susceptibles de tester la théorie.

Une émission de Type III a eu lieu le 14 Janvier 2007. Les deux sondes STEREO étaient alors encore dans l’environnement de la Terre et — par chance — sur le passage des faisceaux d’électrons. Nous avons ainsi pu enregistrer les ondes électrostatiques et conduire une étude quantitative sur le processus de couplage d’ondes.

Spectre électrique
Spectre électrique

Spectre typique du champ électrostatique associé à une émission de type III. On remarque un pic à 10kHz (fréquence Langmuir) et un autre à 0.25kHz (onde acoustique ionique). Graphe inférieur : un zoom autour du pic Langmuir montre deux pics dont la séparation est égale la fréquence de l’onde acoustique ionique. Observations STEREO/WAVES

Une technique statistique (la bicohérence) a permis de confirmer que les phases des ondes étaient bien couplées sur toutes les formes d’onde (environ 15 échantillons) liées à cet événement. L’analyse spectrale a de plus prouvé que la relation entre la fréquence des ondes de Langmuir (observées à 10kHz) et celle du mode basse fréquence (à 200Hz [4] — voir Figure ci-contre) était également bien vérifiée.

Par ailleurs, une analyse temps-fréquence (appelée analyse en ondelettes) a permis d’estimer la taille de la zone de couplage (estimée à environ 20 km). Enfin, la fréquence observée de l’onde acoustique ionique doit suivre une loi variant linéairement dans le temps (correspondant à la propagation "en vol libre" des électrons). Nous avons confirmé que cette loi était aussi vérifiée pour les échantillons des deux sondes STEREO.

Après les observations, retour à la théorie

Cette étude menée grâce à des observations uniques de la mission STEREO a permis pour la première fois de prouver la validité du processus de couplage d’ondes dans le milieu interplanétaire. Ce mécanisme est essentiel pour comprendre les émissions électromagnétiques solaires dans la gamme du MHz. Restait encore une question majeure : les ondes de Langmuir avaient-elles l’énergie suffisante pour produire les deux ondes filles ? Cet aspect a été traité à travers des simulations numériques [5] et sera évoqué dans un prochain article (mais pour ne pas vous laisser sur votre faim, la réponse est OUI : les observations collent parfaitement à la théorie).

Ces résultats sont présentés dans un article du Journal of Geophysical Research (accéder à l’article)

Notes

[1kHz : kiloHertz, MHz : MégaHertz

[2Cette fréquence est appelée fréquence de plasma. Elle caractérise la fréquence d’oscillation libre des électrons d’un plasma. En toute rigueur, la fréquence des ondes de Langmuir est légèrement supérieure à la fréquence plasma à cause d’effet thermique

[3Outre la densité, ces observations permettent également d’étudier les inhomogénéités du milieu, ainsi que la vitesse des faisceaux de particules

[4identifié comme des ondes acoustiques ioniques décalées par effet Doppler

[5de type cinétique