Magnetic Local Time dependency of the modeling of the Earth radiation belts
Description
Since the beginning of the Space Era with the launch of Spoutnik 1 spacecraft in 1957, the radiation belts have been studied by scientists due to their hazardousness on both spacecrafts and humans. Indeed, particles are injected during strong solar activity and can induce fluxes thousand times higher than quiet time ones. Thus, it's very important to understand the nature of physics-based processes and the consecutive dynamic during a geomagnetic storm. For this purpose, the Department Physics Instrumentation Environment and space (DPhIEE) at ONERA has been developing the Salammbo models family for more than 20 years which robustly reproduce in three dimensions the dynamics of trapped particles in the radiation belts. Nevertheless, although they are reliable at high energy, the physics-based processes and the hypothesis taken into account are inadequate at lower energies, below a few hundreds of keV. Indeed, the radiation belts can no longer be considered as homogeneous around the Earth. The aim of this PhD research work was to take into account a fourth coordinate, the Magnetic Local Time (MLT), in order to better reproduce the thinnest structures occurring during a geomagnetic storm. The first part of this work focused on the optimization of the numerical scheme. By the emergence of an advective term, the inclusion of a fourth coordinate induces a strong numerical diffusion that has to be controlled and limited without deteriorating the computing efficiency. So, the implemented statistical equation was discretized using a Beam-Warming scheme coupled with the Superbee limiter, which guarantee us an adequate propagation of the initial distribution. Once numerical issues have been resolved and controlled, all the different mechanisms driving the dynamics of the trapped particles have been implemented into the code, taking into account their MLT dependency, especially for the wave-particle interaction. Taking into account the magnetospheric electric fields was also necessary. Indeed, they correspond to one of the main drivers of the low energy particles motion. Then, the Salammbo 4D model has been validated by a comparison with the 3D one on a simulation of the March 2015 geomagnetic storm. The results showed a good restitution of the dynamics of the radiation belts, refining the storm main phase resolution. Thereafter, this event has been simulated at lower energy to analyze the asymmetry of the dynamics of trapped electrons highlighting the prime role of the convection electric field. The comparison with data from THEMIS spacecraft showed a good modeling of the different physics-based processes, in particular regarding dropouts as controlled by magnetopause shadowing effect. Finally, the implementation of a solar wind driven outer boundary condition opens up new prospects. (author)
Abstract (French)
Depuis le debut de l'ere spatiale avec le lancement du satellite Spoutnik 1 en 1957, les ceintures de radiation terrestres n'ont cesse de faire l'objet d'etudes du fait de leur dangerosite pour les satellites mais aussi pour l'etre humain. En effet, lors d'une forte activite solaire, l'injection de particules dans cet environnement radiatif peut induire des flux jusqu'a 1000 fois plus eleves que par temps calme. Par consequent, il est important d'en comprendre la physique ainsi que la dynamique au cours de ce que l'on appelle un orage geomagnetique. Dans ce but, le Departement Physique Instrumentation Environnement et Espace (DPhIEE) de l'ONERA developpe depuis maintenant plus de 20 ans la famille de modeles Salammbo reproduisant de facon robuste et en trois dimensions la dynamique des particules piegees dans ces ceintures. Neanmoins, bien que precis au-dela d'environ 100 keV, la physique et les hypotheses prises en compte dans ce modele restent insuffisantes en deca. En effet, aux basses energies, les ceintures de radiation ne peuvent plus etre considerees comme homogenes autour de la Terre. L'objectif de cette these a donc ete de prendre en compte une quatrieme dimension, le temps magnetique local (MLT), afin de mieux reproduire l'evolution des structures fines lors d'un orage geomagnetique. La premiere partie s'est portee sur l'optimisation du schema numerique. L'ajout d'une quatrieme dimension induit, via l'apparition d'un terme d'advection, une forte diffusion numerique qu'il convient de limiter, tout en tenant compte du temps de calcul. L'equation statistique implementee a alors ete discretisee selon un schema de type Beam-Warming du second ordre couple a un limiteur Superbee, garantissant une propagation satisfaisante de la distribution initiale. Une fois les problemes numeriques maitrises, les differents mecanismes physiques pilotant la dynamique des particules piegees ont ete implementes dans le code, avec une attention toute particuliere sur la dependance en MLT de l'interaction onde-particule. La prise en compte des champs electriques magnetospheriques fut egalement necessaire. En effet, ils constituent l'un des moteurs principaux du mouvement des particules de basses energies. Le modele Salammbo 4D a ensuite ete valide par comparaison avec le modele 3D deja existant sur une simulation de l'orage magnetique de Mars 2015. Les resultats ont montre une bonne restitution de la dynamique des ceintures de radiation, avec en plus l'acces a la phase principale de l'orage. Cet evenement a ensuite ete modelise a plus basse energie pour constater la dynamique asymetrique des electrons pieges avec le role preponderant du champ electrique de convection. La comparaison avec les donnees du satellite THEMIS a montre une bonne modelisation des differents processus physiques, notamment celui de 'dropout' par traversee de la magnetopause. Enfin, la mise en place d'une condition limite dynamique modulee par les parametres du vent solaire et dependante du MLT ouvre de nombreuses perspectives. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Prise en compte du temps local dans la modelisation des ceintures de radiation terrestres
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 144 p.
- Report number
- FRNC-TH--11803
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52059194
- Subject category
- S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS; S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ADVECTION; COMPUTERIZED SIMULATION; CONVECTION; DISTRIBUTION FUNCTIONS; EARTH MAGNETOSPHERE; ELECTRIC FIELDS; FINITE DIFFERENCE METHOD; MAGNETIC FLUX; SOLAR WIND
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; EARTH ATMOSPHERE; ENERGY TRANSFER; FUNCTIONS; HEAT TRANSFER; ITERATIVE METHODS; MASS TRANSFER; MATHEMATICAL SOLUTIONS; NUMERICAL SOLUTION; SIMULATION; SOLAR ACTIVITY; STELLAR ACTIVITY; STELLAR WINDS
Optional Information
- Notes
- 110 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses