LESIA - Observatoire de Paris

Spectroscopie du bruit quasi-thermique

jeudi 17 juillet 2014, par Karine Issautier, Nicole Meyer

Une antenne électrique plongée dans un plasma et connectée à un récepteur radio voit deux types de phénomènes :
- les ondes électromagnétiques, dont la propagation à grande distance est utilisée depuis longtemps pour un diagnostic des sources lointaines,
- les ondes électrostatiques, dont le couplage étroit avec les électrons et les ions ambiants permet un diagnostic in situ du plasma, et sur lesquelles est basée cette méthode.

L’analyse du spectre de puissance mesuré fournit une mesure in situ du plasma en milieu spatial. Cette technique originale, inventée au laboratoire, a été utilisée dans le vent solaire et dans des environnements planétaires et cométaires avec les sondes spatiales ISEE-3/ICE, Ulysse, Wind, Cassini, et STEREO. Elle est prévue sur la mission Bepi-Colombo d’exploration de Mercure et pour les projets Solar Orbiter etSolar Probe Plus. Une extension de la méthode en plasma poussiéreux a été utilisée dans les anneaux de Saturne, Uranus et Neptune et plus récemment dans le vent solaire où elle a permis de détecter pour la première fois des nanoparticules.

Plus précisément : Une antenne électrique passive reliée à un récepteur radio sensible mesure les fluctuations électrostatiques produites par les mouvements d’agitation thermique des particules chargées du plasma environnant.

Spectre théorique de bruit quasi-thermique
Spectre théorique de bruit quasi-thermique

Spectre théorique de bruit quasi-thermique avec les différentes contributions indiquées par des couleurs différentes : bruit d’électrons, bruit de protons, bruit de grenaille.

L’analyse spectrale de ce bruit quasi-thermique, développée au LESIA, permet de déterminer avec précision des paramètres de la fonction de distribution des électrons, comme par exemple la densité, la température des électrons thermiques ou encore, en exploitant le bruit des protons décalé par effet Doppler, la vitesse du plasma. Une extension de la méthode en présence d’un champ magnétique permet un diagnostic des environnements planétaires magnétisés et a été utilisée dans les magnétosphères de Jupiter et Saturne. Dans ce cas, le pic du spectre à la fréquence de plasma est décalé vers la fréquence hybride haute et les modes de Bernstein contribuent au spectre entre les harmoniques de la gyrofréquence. Enfin, cette méthode a été généralisée à des fonctions de distribution de type Lorentzienne généralisée, permettant de mieux décrire les distributions observées dans les plasma spatiaux, comme le vent solaire. Dans ce cas, la spectroscopie du bruit quasi-thermique permet de mesurer avec précision la densité, la température totale des électrons et la quantité d’électrons supra-thermiques. Soulignons que cette méthode produit la plus précise et la plus fiable des mesures in situ de densité et température électronique et est utilisée pour la calibration des détecteurs de particules. Pour en savoir plus sur la méthode et ses applications récentes, voir les documents joints ci-dessous.

Le spectre présente un pic à la fréquence de résonance du plasma (fréquence proportionnelle à la racine carrée de la densité du plasma), dont la forme est déterminée par la quantité et la température des électrons les plus énergétiques (les électrons suprathermiques si le milieu n’est pas à l’équilibre thermodynamique local). ). Le niveau de bruit mesuré dépend essentiellement de la température des électrons. Aux fréquences inférieures à la fréquence plasma, le bruit thermique des protons décalé par effet Doppler et le bruit de grenaille produit par les impacts des électrons sur les antennes s’ajoutent au bruit quasi-thermique des électrons.

Quelques références récentes :

  • Le Chat G., Issautier K., Meyer-Vernet N., Zouganelis I., Moncuquet M., Hoang S. Quasi-thermal noise spectroscopy : preliminary comparison between kappa and sum of two Maxwellian distributions. Twelfth International Solar Wind Conference. 2010. vol. 1216. pp. 316-319.
  • Le Chat G., Issautier K., Meyer-Vernet N., Zouganelis I., Maksimovic M., Moncuquet M. Quasi-thermal noise in space plasma : “kappa” distributions. Physics of Plasmas. 2009. . vol. 16. pp. 102903.

Equipe scientifique au LESIA :

  • Karine Issautier
  • Nicole Meyer-Vernet
  • Michel Moncuquet
  • Arnaud Zaslavsky
  • Gaétan Le Chat (post-doc CNES)
  • Mihailo Martinovic (doctorant)

info portfolio

Spectre de bruit quasi-thermique avec une somme de 2 distributions (...)
Spectre de bruit quasi-thermique avec une distribution kappa. Ajustement (...)

Documents à télécharger

  • Méthode QTN (PDF - 1 Mo)

    Méthode de spectroscopie du bruit quasi-thermique et ses applications récentes. D’après Meyer-Vernet et al. 2005, AGU.

  • Extrait de "Measurement techniques in space plasmas (AGU/Geophysical Monograph 103)