L'instrument AMBRE 1 (Active Monitor Box of Electrostatic Risks) est un spectromètre de mesure du plasma (ions positifs et électrons) composé de deux têtes de mesure qui a été lancé à bord du satellite Jason 3 en Janvier 2016. A travers la mesure du plasma thermique (énergies comprises entre ~0 et 35 keV) cet instrument permet, d'une part, de déterminer la charge électrostatique des satellites et les populations en étant à l'origine pour répondre à des enjeux opérationnels, et d'autre part, de caractériser les environnements plasma magnétosphériques avec des enjeux scientifiques. La réduction des caractéristiques physiques (poids, consommation électrique et encombrement) des instruments AMBRE est un enjeu clé dans le but de rendre son embarquement systématique sur les plateformes satellites (scientifiques comme commerciales) et ainsi étendre le réseau de ce type de mesures dans l'environnement terrestre. L'objectif de cette thèse porte sur la conception, le développement et la réalisation d'un prototype d'instrument AMBRE 2 répondant à ces enjeux, tout en améliorant les performances scientifiques. Cette nouvelle génération d'instrument repose sur l'utilisation d'une seule tête qui mesure les deux types de population de manière alternée dans le temps. L'étude de chaque sous-système d'AMBRE 2 a permis de trouver les meilleurs compromis permettant de mesurer les deux types de population tout en minimisant les ressources allouées à l'instrument. Un prototype a été réalisé et testé sous vide avec un canon à ions et un canon à électron courant octobre 2017 afin de valider son principe de fonctionnement. / The Active Monitor Box of Electrostatic Risks (AMBER) is a double-head thermal plasma (positive ions and electrons) electrostatic analyser that was launched onboard the Jason-3 spacecraft in January 2016. By measuring the thermal plasma (in the energy range ~0 - 45 keV) the instrument permits, on the one hand, to determine the spacecraft electrostatic charging and the populations at its origin with operational stakes, and, on the other hand, to characterize the magnetospheric plasma environments with scientific goals. Reducing the physical resources (weight, electric consumption, and volume) of the AMBRE line of instrument is key to a potential systematic embarkation onboard various platforms (scientific or commercial), thereby augmenting the constellation of such measurements in near-Earth space. The goal of the present thesis is to conceive, develop and build an AMBRE 2 instrument prototype that meets these goals while augmenting its scientific capabilities. This new generation of instrument relies on the use of a single head which alternatively measures ions and electrons. Each AMBRE 2 sub-system was studied and designed using the best trade-off solution between overall resources and capabilities. A prototype has been built and tested in a vacuum chamber with ion and electron beams in October 2017 in order to validate its functionality.

La couronne solaire est un milieu très dynamique : instabilités du champ magnétique, qui structure le plasma, conduit à l'accélération et le chauffage des particules chargées et à l'éjection de grandes structures dans l'héliosphère, les émissions de masse coronale (CME, selon ces sigles en anglais). Ces structures magnétiques éjectées peuvent interagir avec le champ magnétique de la Terre et affecter le plasma de l'environnement. Ces structures conduisent également à l'induction des courants électriques dans le sol à des latitudes élevées. L'étude de l'origine et de la propagation de ces émissions est d'intérêt pour l’astrophysique dans l’encadre des applications générales et pour la météorologie de l’espace. La compréhension des processus de base est une condition importante pour l'élaboration des méthodes de prévision des arrivées de ces perturbations en utilisant des observations de la couronne solaire. Les CMEs sont observées et étudiées à travers des images coronographiques. La limitation fondamentale du coronographe est qu'il montre la couronne seulement dans le plan du ciel, donc il bloque, forcément, la vue sur le disque solaire. Mais le geoefficacité d'une CME dépend essentiellement de la proximité à la ligne Soleil- Terre et de l'évolution dans la basse couronne que ne sont pas visibles à travers des observations coronographiques. Un des problèmes est la difficulté d’estimer l'arrivée d'une CME à la Terre, parce que les mesures avec coronographes directes de la vitesse de propagation des CMEs qui est dirigée vers la Terre ne sont pas possibles dans la ligne Soleil-Terre. Cette thèse présente l'étude des CMEs en trois étapes : (1) une étude de cas de l'évolution CME dans la bassecouronne et son rôle dans l'accélération des particules, (2) la relation entre la polarisation de l'émission de sursauts radio de type IV associées à CMEs dans la couronne et l'orientation du champ magnétique observé quand les CMEs arrivent à la Terre, et (3) des estimations radiatives de la vitesse des CMEs pour les prévisions des temps d’arrivée des CMEs à la Terre. Imagerie en utilisant des émissions radio dans la basse couronna peut montrer les signatures des CMEs sur le disque solaire. Des études précédentes avec le Radiohéliographe de Nançay (NRH) suggèrent, en fait, que les images de radio aux longueurs d'onde métriques peuvent suivre l'évolution des CMEs bien avant qu'ils deviennent visibles dans la couronne. Le diagnostic de l'évolution CME dans la basse couronne développée dans ce travail a été illustrée par l'étude de l'événement éruptif du 26 Avril 2008, qui a offert une occasion unique d'étudier le lien physique entre une seule CME bien identifiée, l'accélération des électrons tracé par émission radio, ainsi que la production des particules énergétiques solaires (SEP, selon ces sigles en anglais) observées dans l'espace. Nous effectuons une analyse détaillée en combinant les observations radio (NRH et DAM, Wind / WAVES spectrographe) et les observations de la couronne avec des satellites dans EUV et lumière blanche, ainsi que des mesures ‘in situ’ des particules énergétiques près de 1UA (satellites SoHO et STEREO). En combinant des images prises à partir de plusieurs points de vue, nous avons pu déduire l'évolution 3D en fonction du temps du front de l’éjection de mass qui s’est développée autour de l’éruption de la CME. Enfin, nous avons identifié, à partir des observations radio et SEP, trois régions différentes d'accélération des particules associées à l'évolution de la même CME, séparés en longitude environ 140°. / The solar corona is a highly dynamical medium: instabilities of the magnetic field, which structure the plasma, lead to the acceleration and heating ofcharged particles and to the ejection of large structures into the heliosphere, the Coronal Mass Ejections (CMEs). These ejected magnetic structures can interact with the Earth's magnetic field and thereby affect the plasma environment and the high atmosphere of the Earth. Studying the origin and propagation of CMEs is of interest for both astrophysics in general and space weather applications. The understanding of the basic processes is indeed a pre-requisite for developing prediction methods of potentially geo-effective disturbances based on observations of the solar corona.The CMEs are observed and studied primarily through coronographic images. The basic limitation of the coronagraph is that it shows the corona only in the plane of the sky, and blocks by necessity the view on the solar disk. But the geoeffectiveness of a CME depends crucially on the proximity to the Sun-Earth line and the measurements of the propagation speed, onset and early evolution of CMEs in the low corona are not accessible to coronographic observations. This thesis presents the study of CMEs in three different stages: (1) a case study of the CME evolution in the low corona and of its role in particle acceleration, (2) the relationship between the polarisation of the type IV radio emission associated with Earth-directed CMEs in the corona and the orientation of the magnetic field observed as the CMEs arrive at the Earth, and (3) the estimation of the travel times of CMEs to the Earth. Radio imaging with the Nancay Radioheliograph (NRH) suggest that radio images at metric wavelengths track the early evolution of CMEs well before they become visible in the corona. The examination of the CME evolution in the low corona developed in this work was illustrated through the study of the eruptive event on 26 April 2008, which offered a unique opportunity to investigate the physical link between a single well-identified CME, electron acceleration as traced by radio emission, and the production of solar energetic particles (SEPs) observed in space. We conduct a detailed analysis combining radio observations (NRH and Decameter Array, Wind/WAVES spectrograph) with remote-sensing observations of the corona in extreme ultraviolet (EUV) and white light as well as in-situ measurements of energetic particles near 1AU (SoHO and STEREO spacecraft). By combining images taken from multiple vantage points we were able to derive the time-dependent evolution of the 3D pressure front developing around the erupting CME. Finally, we identified, from the radio and SEP observations, three different particle acceleration regions associated to the evolution of the same CME, separated in longitude by about 140$^\circ$. The observations for this event showed that it is misleading to interpret multi-spacecraft SEP measurements in terms of one acceleration region in the corona.

Cette thèse a pour objet la modélisation du champ magnétique de la couronne solaire à l'aide du code de reconstruction non linéaire XTRAPOLS, avec une attention particulière pour les environnements des phénomènes éruptifs. Le caractère novateur des études menées porte sur l'aspect sphérique global de la méthode.Trois études principales de cas sont présentées dans cette thèse. La première concerne les évènements éruptifs de février 2011, géoeffectifs, faisant figurer une région active étendue. Nous mettons en évidences plusieurs structures de tubes de flux torsadés, et caractérisons leur lien avec les structures à grande échelle.La deuxième concerne les évènements du 3 et 4 août 2011. Plusieurs régions actives sont présentes sur le disque solaires, et deux d'entre elles présentent une activité éruptive importante.Là encore, nous mettons en évidences des tubes de flux torsadés dans chacune de ces deux régions active,et mettons en lumière les liens topologiques qui existent entre elles.La Troisième concerne une étude faite dans le cadre d'un groupe NLFFF, pour l'étude de la modélisation non linéaire globale de la couronne. La date correspondant à la reconstruction est celle de l'éclipse totale de soleil du 20 mars 2015. Nous discutons ici de l'impact de différents type de données et de modèles utilisés, et soulignons l'importance de la cohérence temporelle et de l'inclusion du courant dans les régions actives.Les travaux présentés dans cette thèse ont donc permis de caractériser l'environnement global des régions actives éruptives et d'étudier les liens entre les éléments à différentes échelles. Nous présentons en guise d'ouverture différente méthode pour étendre la modélisation au delà de la surface source. / The object of this thesis is the modelisation of the magnetic field of the solar corona using the non linear reconstruction code XTRAPOLS, with a special emphasis on eruptive phenomena environments.The innovative nature of the studies we undertook is the spherical global aspect of the method.Three main works are presented in this dissertation. The first one is about the February 2011 geoeffective events, featuring a large active region. We highlight several twisted flux ropes structures,and characterize their relationship with large scale structures.The second work is about the events of August 3rd and 4th. Several active region are present on the disk,and two of them feature a high eruptive activity. Here again, we find twisted flux ropes in each of the active regions, and we highlight the topological relationship between them.The third is a study performed in the context of an NLFFF group, in order to study the non linear modeling of the global corona. The reconstruction is performed at a date corresponding to the total solar eclipse of march 20th 2015. We discuss the impact of the different types of data and models used, and emphasize on the importance of data temporal coherence and of taking into account coronal currents.Thus, the works presented in this dissertation allowed to characterize the global environment of eruptive active regions, to study the relationship between features at different scales. To go further, we present different methods for extending the model beyond the source surface.

L'un des enjeux dans la compréhension des relations Soleil-Terre est l'étude de la dynamique des régions internes de la magnétosphère. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail a été de poser les bases d'un modèle opérationnel de détection et de suivi des régions frontières de la magnétosphère à partir du réseau de radars SuperDARN, qui sonde l'ionosphère à haute latitude. L'élaboration d'un tel modèle requiert une réduction de données. Pour cela, une méthode de décomposition en valeurs singulières (SVD) a été appliquée sur la mesure brute (une fonction d'autocorrélation) afin de définir trois nouveaux paramètres statistiques. L'interprétation de ces trois nouveaux paramètres montre que cette approche, bien qu'empirique, offre une description bien plus complète des échos radar que les modèles physiques habituellement utilisés. L'utilisation de ces paramètres avec une méthode de décision Bayésienne permet d'améliorer la détection de la frontière des lignes de champ géomagnétiques ouvertes/fermées. L'introduction d'un formalisme Bayésien comporte plusieurs avantages : il permet de valider le résultat en estimant une erreur sur la localisation, et de plus, il facilite l'introduction de nouvelles connaissances provenant de différents instruments. Ceci est loin d'être négligeable pour compléter les observations des radars SuperDARN. Par ailleurs, les propriétés de ce nouveau modèle ont permis l'élaboration d'un nouvel algorithme de prétraitement et d'analyse des mesures brutes.

Ce travail a pour objet d’étudier les variations régulières de l’ionosphère aux moyennes et basses latitudes ainsi que l’impact de différents événements solaires sur l’ionisation. Pour quantifier ces variations, nous utiliserons les réseaux GPS qui permettent de mesurer le Contenu Total Electronique (TEC).Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ISWI. L’étude comprendra une analyse morphologique sur les variations régulières de l’ionisation en période de soleil calme (variation diurne, saisonnière et en fonction du cycle solaire) par le traitement de stations GPS en Europe et en Afrique sur la période analysée (2000 à 2014);les variations perturbées de l’ionosphère associées à des événements solaires retenus selon une grille de critères; L’analyse de l’indice ROTI afin d’étudier les scintillations ionosphériques génératrices d’une dégradation du positionnement aux basses latitudes et en particulier en Afrique.L’étude se poursuivra par la comparaison avec les modèles existants afin d’identifier leurs performances:le modèle NeQuick2, logiciel de modélisation du profil vertical médian l’ionosphère,Le modèle IONEX/CODG qui est une cartographie journalière du TEC en des positions spatiales et temporelles particulières et issu du post-traitement des mesures GPS sur une couverture mondiale.Le troisième volet de cette étude sera de donner des perspectives pour une éventuelle prévision de l’impact d'événements solaires particuliers sur l’ionosphère, par exemple la modélisation des gradients en période magnétiquement perturbée et la prévision de la présence du phénomène de scintillation ionosphérique sur certains trajets satellite-sol. / This work aims to study the regular variations of the ionosphere at middle and low latitudes and the impact of various events on solar ionization. To quantify these changes, we will use GPS networks to measure the Total Electronic Content (TEC) .This work is part of the project ISWI. The study will include a morphological analysis on regular variations in the ionization time of the Quiet Sun (diurnal variation, seasonal and based on the solar cycle) for the treatment of GPS stations in Europe and Africa over the period analyzed (2000 to 2014); variations disturbed ionosphere associated with solar events selected according to a set of criteria; Analysis of the ROTI index to study the ionospheric scintillation generating degradation positioning at low latitudes and especially Africa.The study will continue with the comparison with existing models in order to identify their performance: the NeQuick2 model modeling software profile of the median vertical ,the ionospheric model IONEX / CODG which is a daily mapping TEC in specific spatial and temporal positions and from the post-processing of GPS measurements on a third coverage mondiale.The component of this study will give prospects for a possible anticipation of the impact of specific solar events on the ionosphere, such modeling gradients in magnetically disturbed period and prediction of the presence of ionospheric scintillation event on some ground-satellite paths.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation des ionosphères planétaires comme celle de la Terre et de Titan à travers les processus de transport cinétique des électrons et des protons. La modélisation des ions doublement chargés N2++, O2++ et O++ créés par photoionisation a constitué la première étape de ce travail. Les résultats de la simulation sont comparés avec succès aux seules données disponibles sur Terre pour O++. De cette validation expérimentale, nous prédisons ainsi la présence d'ions moléculaires doublement chargés dans l'ionosphère de la Terre et de Titan. Dans un deuxième temps, nous détaillons la genèse du modèle d'ionosphère TRANS4, à travers le couplage et l'optimisation de différents codes de transport cinétique et fluide capables de modéliser simultanément les précipitations d'électrons et de protons. Ce modèle constitue un outil unique et cohérent de diagnostic de l'impact combiné des protons et des électrons sur l'ionosphère en permettant notamment le calcul des profils de raies Balmer de l'hydrogène. La comparaison aux données a permis ensuite une approche quantitative du comportement de l'ionosphère soumis à un événement actif proton-électrons, sous le triple angle des données radar, satellite et optique. Les perspectives sont nombreuses et le portage du code dans d'autres ionosphères telles Titan, Mars ou Vénus est une voie de recherche privilégiée, qui coïncide avec les mesures en direct des sondes Cassini, Mars Express et Vénus Express. Une collaboration étroite avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, Orsay) ainsi qu'avec les universités d'Oslo et de Svalbard (UNIS) a été menée tout au long de ce travail.

La connaissance du flux UltraViolet (UV) solaire et de sa variabilité dans le temps est un problème clé aussi bien dans le domaine de l'aéronomie qu'en physique solaire. Alors que l'extrême UV, entre 10 et 121 nm, est important pour la caractérisation de l'ionosphère, l'UV entre 121 et 300 nm l'est tout autant pour les modélisations climatiques. La mesure continue de l'irradiance dans l'UV est cependant une tâche ardue. En effet, les instruments spatiaux étant dans un environnement hostile se dégradent rapidement. De nombreux modèles basés sur des indices solaires sont alors utilisées lorsque peu de données sont disponibles. Pourtant, l'utilisation de ces indices ne permet pas d'atteindre aujourd'hui une précision suffisante pour les différentes applications en météorologie de l'espace. Comme alternative, ce travail de thèse met en avant l'utilisation de bandes passantes pour reconstruire l'irradiance solaire dans l'UV. En utilisant des méthodes d'analyse statistique multivariée, ce travail met tout d'abord en évidence la forte cohérence de la variabilité spectrale de l'irradiance dans l'UV, ainsi que ses principales caractéristiques. Une première étape consiste à utiliser des bandes passantes existantes afin de tester la faisabilité de notre approche: le flux UV peut ainsi être reconstruit avec une erreur relative d'environ 20%, une bien meilleure performance qu'avec l'utilisation d'indices solaires. Ce travail propose ensuite plusieurs choix pour définir un futur instrument d'un genre nouveau. Afin de limiter les problèmes de dégradation liés à l'utilisation de filtres, les nouveaux détecteurs à matériaux à large bande interdite permettent de sélectionner la bande spectrale, notamment pour l'UV à partir de 120 nm. Enfin, une modélisation de l'impact du flux UV solaire sur l'atmosphère de Ganymède est exposée. Les émissions atmosphériques pour quelques espèces sont alors calculées, afin de proposer quelques recommandations pour les futures missions pour Jupiter.