Cette étude s’inscrit dans le domaine de la description de la dynamique des ceintures deradiation terrestres. Elle consiste à modéliser le phénomène de diffusion radiale en travaillantavec une résolution spatio-temporelle plus fine que celle utilisée pour décrire la dynamiquedes ceintures par le biais d’une équation de diffusion. La démarche s’est organisée en troistemps. Tout d’abord, l’objectif a été d’étudier le phénomène de diffusion radiale d’un point devue théorique afin de mettre en lumière les principaux pilotes du processus et d’expliciter uneformulation des coefficients de diffusion radiale. Une fois l’expression de ces coefficientsétablie, l’objectif a ensuite été de les quantifier. Pour cela, nous avons développé desprotocoles analytiques et numériques puis des protocoles expérimentaux. Nous avons discutéles résultats obtenus ainsi que les atouts et les limites de ces protocoles. Cette étude met enévidence le rôle central de l’asymétrie des variations du champ électromagnétique et deschamps électriques induits dans le processus de diffusion radiale. Elle propose des pistes pourla quantification numérique et expérimentale de ces deux pilotes. Elle apporte également unregard critique sur les travaux de la littérature. Elle ouvre la voie pour une nouvellequantification des coefficients de diffusion basée sur une modélisation adéquate de ladynamique de l’environnement électromagnétique / This study falls within the field of the Earth’s radiation belt dynamics. It consists of modelingthe radial diffusion process based on a spatiotemporal resolution higher than the resolution atwhich radiation belt dynamics are described in terms of a diffusion equation. The approachhas been organized in three parts. First, we described radial diffusion theoretically,highlighting the main drivers of the phenomenon and giving a ready-made formula of theradial diffusion coefficients. Then, based on this formula, we aimed to quantify the radialdiffusion coefficients. In order to reach this goal, we developed analytical and numericalprocedures, and then, observational procedures. Finally, we discussed the results and the prosand cons of each method. This study highlights the central role of asymmetric variations ofthe electromagnetic fields and induced electric fields in the driving of the intensity of theradial diffusion process. It provides tracks for numerical and experimental quantification ofthese two drivers. It also provides tools for a critical review of the literature. It paves the wayfor a more accurate determination of radial diffusion coefficients based on a more precisedescription of the electromagnetic environment and its variations.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.

Les satellites sont vulnérables aux particules de forte énergie piégées dans les ceintures de Van Allen. Afin d’en assurer la protection, il est nécessaire de prédire avec précision la dynamique des électrons au sein de la magnétosphère. Dans un premier temps nous proposons une méthode originale de résolution analytique de l’équation de Fokker-Planck réduite qui modélise le transport et les pertes des électrons de la magnétosphère interne. La résolution repose sur une technique de décomposition spectrale. Si la solution analytique s’avère utile pour mettre en exergue certaines propriétés physiques des ceintures de radiation, elle est également pertinente pour valider le code numérique de résolution de l’équation de Fokker-Planck réduite, développé durant la thèse. Ce dernier nous amène à généraliser l’étude précédente en illustrant l’évolution des flux d’électrons pour diverses énergies et positions. Nous prouvons notamment que la structure des ceintures de radiation ainsi que leur temps d’évolution ne dépendent que de quelques facteurs bien choisis. Dans la perspective de reproduire un événement particulier de retour au calme après un orage magnétique, mesuré par les satellites de la NASA dédiés aux ceintures de radiation, nous sommes en mesure de simuler la précipitation des électrons dans l’atmosphère terrestre causée par les interactions avec les ondes électromagnétiques de la magnétosphère. L’utilisation de conditions bâties sur des données empiriques et spécifiques à la période en question nous permet de corroborer les flux observés. Enfin, l’influence du champ magnétique terrestre sur la dynamique des ceintures de radiation est étudiée sous divers aspects. Nous nous concentrons sur la ceinture externe pour comprendre comment les asymétries du champ magnétique, considérablement façonnées par l’activité solaire, affectent notre manière de concilier théorie et observations. Nous explorons également l’importance de certains processus diffusifs nouveaux et cachés, qui émergent à cause de l’irrégularité naturelle du champ magnétique au plus proche voisinage de la Terre. / Satellites are vulnerable to high-energy particles trapped in the Van Allen belts. To ensure their protection, it is necessary to predict properly the electron dynamics in the magnetosphere. We first propose an original method to find the analytical solution of the reduced Fokker-Planck equation that models the transport and loss of electrons in the inner magnetosphere. The resolution relies on an eigenfunction expansion approach. If the analytical solution is proven to be useful at uncovering some of the physical properties of the radiation belts, it is also relevant to validate the numerical code that solves the reduced Fokker-Planck equation, which has been developed during the PhD. The latter code is used to generalize the previous study in illustrating the evolution of the electron fluxes for various energies and locations. We demonstrate that the structure of the radiation belts as well as their dynamical timescales only depend on a few well-chosen parameters. In the perspective of reproducing a specific storm-recovery event reported by the NASA Van Allen Probes, we are able to simulate the electron scattering in the Earth’s atmosphere due to the interaction with magnetospheric electromagnetic waves. The consideration of data-driven and event-specific conditions enables us to corroborate the observed fluxes. Finally, various influences of the Earth’s magnetic field on the dynamics of the radiation belts are investigated. We focus on the outer belt to see how the magnetic field asymmetries, which are strongly shaped by solar activity, affect the way of conciliating theory and observations. We also explore the importance of new hidden diffusive processes that emerge due to the natural irregularity of the magnetic field in the closest vicinity of the Earth.