Depuis le succès de la mission CLUSTER, nous pouvons étudier la structure tridimensionnelle des perturbations basse fréquence se propageant dans les régions clefs de la magnétosphère terrestre (magnétopause, queue magnétique). Afin d'aider l'interprétation de ces<br />données cette thèse propose un cadre théorique auto-cohérent visant à étudier la réponse linéaire<br />d'une couche de plasma non homogène à une perturbation initiale, dans l'approximation de la MHD<br />idéale. En particulier, le calcul est mené jusqu'à la reconstruction finale des signaux<br />spatio-temporels avec une discussion des amplitudes obtenues et des transferts énergétiques qui en<br />découlent. Cette dernière étape est essentielle dans la perspective d'une comparaison avec les<br />données CLUSTER.<br /><br />L'étude des modes propres de la queue magnétosphérique terrestre montre l'existence de deux<br />catégories d'oscillations : des modes globaux oscillant à des fréquences discrètes et confinés au<br />centre de la couche, et des modes continus liés au phénomène d'absorption résonante et dont<br />l'amplitude décroît au cours du temps. En utilisant diverses géométries de pulses initiaux, nous<br />étudions le couplage entre l'excitateur et ces modes propres. Il est mis en évidence que le<br />couplage avec les modes globaux est optimal pour un pulse dont la taille est voisine de l'épaisseur<br />de la couche. Même dans ce cas, les fluctuations restent cependant modestes. En revanche, avec le<br />même pulse initial, l'absorption du signal dans le continuum est efficace et conduit à un transfert<br />d'énergie non négligeable des ondes vers le plasma.<br /><br />Enfin, un exemple d'oscillations magnétiques mesurées par CLUSTER est analysé et confronté<br />avec les résultats du modèle théorique. En effet l'étude théorique permet de préciser la nature des<br />perturbations ainsi que leur origine, dans l'hypothèse où ces fluctuations obéissent à une<br />description MHD.

L'environnement spatial proche de la Terre est complexe et divers. La cinétique des ions joue un rôle clé pour comprendre la nature des phénomènes essentiels et les processus physiques prenant place dans le "Géospace". Au moyen de données à haute résolution enregistrées par les quatre satellites Cluster et les deux satellites Double Star, cette thèse étudie la cinétique des ions de faible énergie dans certaines couches frontières essentielles de la magnétosphère terrestre. Le rôle dominant joué par la cinétique des particules dans les formations de ces structures de plasma à petite échelle et les caractéristiques des processus de couplage à différentes échelles y sont résumés.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la directivité des sursauts radio solaires de type III aux fréquences inférieures à 10MHz. Ces sursauts radio résultent de la conversion d'ondes de plasma produites par des faisceaux d'électrons suprathermiques. Ces électrons sont accélérés dans la couronne solaire au voisinage des régions actives, et se propageant le long de lignes de champ magnétique ouvertes sur le milieu interplanétaire. Nous mesurons pour la première fois le diagramme d'émission apparent du rayonnement radio à partir d'observations stéréoscopiques, réalisées aux mêmes fréquences, par les sondes Wind et Ulysse en dessous de 1MHz d'une part, puis par les sondes STEREO-A, STEREO-B et Wind jusqu'à 10MHz d'autre part. Le diagramme obtenu présente une largeur à mi-maximum importante ( 100 à 1MHz). Et, contre toute attente, une déviation vers l'est de son axe principal hors de la direction du champ magnétique local ( 20 à 1MHz). Nos observations indiquent par ailleurs que ces deux caractéristiques augmentent vers les basses fréquences. Ces résultats nouveaux apportent des contraintes solides sur les conditions physiques régnantes au voisinage de la source d'émission. En particulier, la déviation de l'axe du diagramme témoigne de l'existence d'un gradient de densité transverse, très probablement produit par l'interaction de deux régions de vent solaire évoluant en corotation à des vitesses différentes. Nous obtenons également pour la première fois le spectre radio moyen des sursauts de type III soustrait des effets de directivité et de distance à la source. Le spectre présente un maximum d'émission autour de 1MHz dont l'origine reste à déterminer. La mesure de la vitesse des faisceaux sur la gamme de fréquences [ 0.01 -10MHz] nous permet d'apporter les premiers éléments de réponse à cette question.

La reconnexion magnétique est un processus fondamental de conversion d'énergie qui se produit dans les plasmas spatiaux ainsi que dans les plasmas de laboratoire. La reconnexion a lieu dans des couches de courant très fines et a comme conséquence la reconfiguration de la topologie magnétique et la conversion d'énergie magnétique dans l'accélération et le réchauffement des particules. Actuellement, le rôle de la reconnexion magnétique est reconnue comme un processus majeur dans l’environnement Soleil-Terre, depuis la couronne solaire jusque dans vent solaire, dans la magnétogaine ainsi qu'à la magnétopause et dans la queue magnétique. La reconnexion se déclenche dans la région de diffusion électronique. Dans cette région, les électrons se démagnétisent et sont accélérés par les champs électriques de reconnexion. Malgré les progrès déterminants dans la compréhension du processus de la reconnexion magnétique qui ont été accomplis grâce à l'utilisation des mesures in-situ en synergie avec les simulations numériques, la physique de la région de diffusion aux échelles électroniques est encore largement inconnue. Ce n'est que dans les dernières années, avec le lancement de la mission Magnetospheric MultiScale (MMS) et l'impressionnant augmentation des capacités de calcul des superordinateurs, que la dynamique de la région de diffusion électronique a commencée à être comprise. Une des questions fondamentales - qui reste encore sans réponse - est de comprendre si la structure de la région de diffusion électronique est homogène ou hétérogène aux échelles électroniques et même au-dessous de ces échelles.La finalité de ma recherche est d’avancer dans la compréhension de la structure de la région de diffusion des électrons avec deux approches diffèrent : les observations par satellites et simulations numériques complètement cinétique de type Vlasov.La première partie de ce mémoire présente les observations issus des satellites MMS en traversant la magnétopause en proximité du point sub-solaire et avec une séparation très petite entre les satellites ($sim 6$ km) i.e. comparable à la longueur d'inertie des électrons $d_e sim 2$ km.L’analyse des donnée montre que la région de diffusion électronique n'est pas homogène en terme de courant électrique et de champ électrique aux échelles électroniques et que la distribution spatiale de la conversion d'énergie est irrégulière aux échelles électroniques. Ces observations indiquent que la structure de la région de diffusion électronique peut être bien plus compliquée que ce qu'indiquent des études expérimentales antérieures et les simulations numériques de type PIC.La présente analyse des données MMS a souligné la nécessité de réaliser des simulations avec une résolution spatiale plus élevée et un bruit numérique négligeable - en particulier pour le champ électrique - pour progresser dans la compréhension des processus cinétiques qui interviennent aux échelles électroniques. En poursuivant cette motivation, la deuxième partie du mémoire est consacrée à l'étude de la région de diffusion électronique en utilisant un nouveaux modèle Eulérien Vlasov-Darwin complètement cinétique qui nous avons implémenté dans le code numérique ViDA. Le code ViDA a été spécifiquement conçu pour perfectionner notre compréhension de la dynamique des plasmas non collisionnels aux échelles cinétiques en donnant accès aux détails de la fonction de distribution électronique dans l’espace de phase. Une première partie est consacrée aux tests du code avec une simulation 2D de la reconnexion magnétique symétrique. Les données de simulation avec bruit négligeable ont été utilisées par la suite pour étudier la contribution des différents termes qui forment la loi d’Ohm dans la région de diffusion électronique. Nous avons traité en particulier la contribution du terme d’inertie électronique qui est responsable de la démagnétisation des électrons. / Magnetic reconnection is a fundamental energy conversion process occurring in space and laboratory plasmas. Reconnection takes place in thin current sheets leading to thereconfiguration of magnetic field topology and to conversion of magnetic energy into acceleration and heating of particles. Today reconnection is recognized to play a key role in the Earth-solar environment, from the solar corona to the solar wind, to magnetosheath, at the Earth's magnetopause, and in the magnetotail. Reconnection is initiated in the Electron Diffusion Region (EDR), where electrons decouple from the magnetic field and are energized by electric fields. Despite the very significant advances that have been made in the understanding of the magnetic reconnection process by means of in-situ measurements (notably provided by the Cluster mission) and by numerical simulations, the small electron scale physics of the dissipation region remains basically unsolved.It is only in the last years, with the launch of the Magnetospheric MultiScale mission (MMS) together with the recent impressive increasing of computational capabilities of supercomputers, that the dynamics of the Electron Diffusion Region has started to be enlightened. One of the key, yet still open questions, is whether the EDR has a preferred homogeneous or inhomogeneous structure at electron scales and below.The purpose of this Thesis is to advance in the understanding of the structure of the Electron Diffusion Region using two different approaches, notably MMS spacecraft observations and kinetic full Vlasov simulations. The first part presents MMS observations of an EDR encounter at the subsolar magnetopause when the four MMS probes were located at the smallest interspacecraft separationof $sim 6 $ km, which is comparable to a few electron inertial length ($d_e sim 2$ km).We find that the EDR is rather inhomogeneous at electron scales in terms of current density and electric field which appear to be different at different spacecraft. In addition, the pattern of the energy conversion is patchy, showing that the structure of the EDR at the magnetopause can be much more complex than it has been found in other MMS events and than it is usually depicted by kinetic PIC simulations.Our MMS data analysis has pointed out the need of simulations with better spatial resolution and low noise on the electron scales, in particular on the electric field, in order to better understand the kinetic physics at play at electron scales. Following this motivation, the second part of the Thesis aims at studying the EDR by using a novel fully-kinetic Eulerian Vlasov-Darwin model which we have implemented in the numerical ViDA code.The ViDA code is specifically designed to improve our understanding of the kinetic dynamics of collisionless plasma at electron scales by giving access to the fine phase space details of the electron distribution function. A first part is devoted to the testing of the code by performing 2D symmetric magnetic reconnection simulations. Then, low-noise simulation data have been used to investigate the contribution of the different terms in the Ohm's law in the EDR, focusing on the contribution of the electron inertia term which is responsible for the decoupling of the electron dynamics from the magnetic field.

Cette thèse s'intéresse à l'étude de l'interaction du vent solaire avec Mars à l'aide des données obtenues par les magnétomètres et le spectromètre d'électrons MAG/ER à bord de la sonde Mars Global Surveyor (MGS) pour en déduire des contraintes sur les mécanismes d'échappement non thermiques à l'issue de cette interaction. Tout d'abord, nous analysons des ondes de très grande amplitude et fortement cohérentes à la fréquence locale de giration des protons qui ont été observées pour la première fois. Une analyse théorique sur la génération de ces ondes dans le cadre de la théorie linéaire permet de les associer au phénomène d'implantation des H+ d'origine exosphérique. Pourtant, la nature de ces ondes ainsi que des simulations MHD Hall multi-fluide montrent que ces ondes ont une origine non linéaire. Des études théoriques supplémentaires seront donc nécessaires afin d'établir à partir des propriétés de ces ondes des contraintes sur les paramètres des modèles d'exosphère actuels et sur le taux d'échappement atmosphérique. D'autre part, nous caractérisons exhaustivement la frontière d'empilement magnétique (MPB), une frontière plasma permanente entre l'onde de choc et l'ionosphère. En particulier grâce à une étude de la topologie du champ magnétique, nous démontrons que l'enroulement de lignes de champ est fortement accéléré lorsque la MPB est franchie. Cette étude nous permet également de démontrer l'existence de la MPB autour de Vénus où la frontière n'avait jamais été identifiée. En conséquence, les résultats de cette thèse montrent que cette frontière est commune à tous les objets atmosphériques faiblement magnétisés et le fait que son existence est profondément liée à la nature multi-ionique de leur interaction.

Le mémoire se compose de deux grands chapitres. Le premier traite de mes travaux de recherche et instrumentaux en physique solaire. Il traite notamment des mesures de spectro-polarimétrie dans le domaine visible, appliquées à l'études de l'évolution spatiale et temporelle du champ magnétique des régions actives. Le second chapitre aborde mes travaux en physique des plasma spatiaux. Il présente les aspects de simulations numériques cinétiques (Vlasov) appliqués à l'étude des structures cohérentes observées dans le vent solaire et la magnétosphère terrestre. Il expose également les résultats de l'exploitation des données radio de la mission STEREO.

La capacité à libérer l'énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu'elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d'un même phénomène sont-elles reliées ? C'est la problématique à laquelle cette thèse s'intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s'intéresse à l'accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu'alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d'énergie thermique dans le transfert d'énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d'équilibre cinétique

La capacité à libérer l’énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu’elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d’un même phénomène sont-elles reliées ? C’est la problématique à laquelle cette thèse s’intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s’intéresse à l’accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu’alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d’énergie thermique dans le transfert d’énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d’équilibre cinétique / Because of its ability to transfer the energy stored in magnetic field together with the breaking of the flux freezing constraint, magnetic reconnection is considered as one of the most important phenomena in plasma physics. When it happens in a collision less environment such as the terrestrial magnetosphere, it should a priori be modelled with in the framework of kinetic physics. The evidence of kinetic features has incidentally for a long time, been shown by researchers with the help of both numerical simulations and satellite observations. However, most of our understanding of the process comes from the more intuitive fluid interpretation with simple closure hypothesis which do not include kinetic effects. To what extent are these two separate descriptions of the same phenomenon related? What is the role of kinetic effects in the averaged/fluid dynamics of reconnection? This thesis addresses these questions for the proton population in the particular case of antiparallel merging with the help of 2D Hybrid simulations. We show that one can not assume, as is usually done, that the acceleration of the proton flow is only due to the La place force. Our results show, for symmetric and asymmetric connection, the importance of the pressure force, opposed to the electric one on the separatrices, in the decoupling region. In the symmetric case, we emphasize the kinetic origin of this force by analyzing the proton distribution functions and explain their structure by studying the underlying particle dynamics. Protons, as individual particles, are shown to bounce in the electric potential well created by the Hall effect. The spatial divergence of this well results in a mixing in phase space responsible for the observed structure of the pressure tensor. A detailed energy budget analysis confirms the role of the pressure force for the acceleration ; but, contrary to what is sometimes assumed, it also reveals that the major part of the incoming Poynting flux is transferred to the thermal energy flux rather than to the convective kinetic energy flux, although the latter is generally supposed dominant. In the symmetric case, we propose the pressure tensor to be an additional proxy of the ion decoupling region in satellite data and verify this suggestion by studying a reconnection event encountered by the Cluster spacecrafts. Finally, the last part of this thesis is devoted to the study of the kinetic structure of asymmetric tangential current sheets where connection can develop. This theoretical part consists in finding a steady state solution to the Vlasov-Maxwell system for the protons in such a configuration. We present the theory and its first confrontation to numerical tests.

Ma thèse a pour but de comprendre le rôle de la compressibilité dans la turbulence aux basses fréquences dans les plasmas spatiaux (le vent solaire, les plasmas magnétosphériques etc.) et astrophysiques (nuage moléculaire interstellaire, le cœur d'une étoile etc.). Trois nouvelles relations exactes ont été déduites dans le cadre de la turbulence compressible dans un fluide isotherme et polytrope et dans un plasma MHD isotherme afin de comprendre différentes propriétés universelles de la turbulence compressible. De plausibles phénoménologies ont été proposées aussi en vue d'une compréhension de différentes lois de spectre obtenues grâce aux simulations numériques de la turbulence compressible. Une distinction qualitative entre la turbulence sous-sonique et supersonique est ainsi décrite.Une analyse utilisant des données d'observation des sondes spatiales THEMIS est également réalisée dans le but d'expliquer l'effet de la compressibilité dans la turbulence du vent solaire rapide. Une amélioration remarquable par rapport a "incompressible scaling" est observée avec la nouvelle "compressible scaling". Le flux d'énergie correspondant ainsi trouve est estime suffisant pour expliquer le chauffage anormal du vent solaire rapide. / My thesis work is principally dedicated in understanding the role of compressibility in lowfrequency turbulence of space plasmas (the solar wind, magnetospheric plasma etc.) and astrophysical plasmas (interstellar molecular cloud, the core of a star etc.). Three new exact relations have been derived analytically in the framework of isothermal and polytropic hydrodynamic turbulence and also for an isothermal MHD plasma. By using these relations, various universal scalingproperties of compressible turbulence have been investigated. In addition, plausible phenomenologieshave been proposed in order to theoretically reproduce different power laws for energy power spectra which had been obtained in previous numerical simulations of compressible turbulence. A semi-qualitativedistinction between sub-sonic and supersonic regime of turbulence is hence concluded. In the second part, an analysis using THEMIS spacecraft data is also performed in a view to explainingthe effect of the compressibility in the turbulence of the fast solar wind. A remarkable smooth scalingin comparison with incompressible law is obtained for several intervals of fast solar wind. The corresponding turbulent energy flux is also found to be sufficient to explain the anomalous heating of fast solar wind.

La reconnexion magnétique est un processus omniprésent et fondamental dans la physique des plasmas spatiaux. La "Magnetospheric multiscale mission" (MMS) de la NASA, lancée le 12 mars 2015, a été conçue pour fournir des mesures in-situ permettant d'analyser le processus de reconnexion dans la magnétosphère terrestre. Dans ce but, quatre satellites identiquement instrumentés mesurent les champs électromagnétiques et les particules chargées dans les régions de reconnexion, avec une résolution temporelle cent fois meilleure que celle des missions précédentes. MMS permet, pour la première fois, d'étudier les structures microscopiques associées à la reconnexion magnétique et, en particulier, la région de diffusion électronique. Au niveau de la magnétopause terrestre, la reconnexion magnétique a un rôle chef dans le transport de l'énergie du vent solaire vers la magnétosphère terrestre, en convertissant l'énergie magnétique en énergie cinétique et thermique. Les événements à transfert de flux (FTEs) sont considérés comme l'un des produits principaux et les plus typiques de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. Cependant, des structures magnétiques 3D plus complexes, avec des signatures similaires à celles des FTEs, peuvent également exister à la magnétopause. On retrouve, par exemple, des tubes de flux entrelacés qui résultent de reconnexions magnétiques ayant eues lieu à des sites différents. La première partie de cette thèse étudie l'un de ces événements, qui a été observé dans des conditions de vent solaire inhabituelles, au voisinage de la magnétopause terrestre par MMS. Malgré des signatures qui, à première vue, semblaient cohérentes avec un FTE classique, cet événement a été interprété comme étant le résultat de l'interaction de deux tubes de flux avec des connectivités magnétiques différentes. La haute résolution temporelle des données MMS a permis d'étudier en détail une fine couche de courant observée à l'interface entre les deux tubes de flux. La couche de courant était associée à un jet d'ions, suggérant ainsi que la couche de courant était soumise à une compression qui a entraîné une reconnexion magnétique à l'origine du jet d'ions. La direction, la vitesse de propagation et la taille de différentes structures ont été déduites en utilisant des techniques d'analyse de données de plusieurs satellites. La deuxième partie de la thèse fournit une étude complémentaire à la précédente et s'intéresse aux ondes observées autour de la couche de courant. / Magnetic reconnection is a ubiquitous and fundamental process in space plasma physics. The NASA's Magnetospheric Multiscale mission (MMS) launched on 12 March 2015 was designed to provide in-situ measurements for analyzing the reconnection process at the Earth's magnetosphere. In this aim, four identically instrumented spacecraft measure fields and particles in the reconnection regions with a time resolution which is one hundred times faster than previous missions. MMS allows for the first time to study the microscopic structures associated with magnetic reconnection and, in particular, the thin electron diffusion region. At the Earth's magnetopause, magnetic reconnection governs the transport of energy and momentum from the solar wind plasma into the Earth's magnetosphere through conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies after a rearrangement of magnetic field lines. Flux Transfer Events (FTEs) are considered to be one of the main and most typical products of magnetic reconnection at the Earth's magnetopause. However, more complex 3D magnetic structures with signatures akin to those of FTEs might also occur at the magnetopause like interlaced flux tubes resulting from magnetic reconnection at multiple sites. The first part of the work presented in this thesis consisted of the investigation of one of these events that was observed, under unusual and extreme solar wind conditions, in the vicinity of the Earth's magnetopause by MMS. Despite signatures that, at first glance, appeared consistent with a classic FTE, this event was interpreted to be the result of the interaction of two separate sets of magnetic field lines with different connectivities. The high time resolution of MMS data allowed to resolve a thin current sheet that was observed at the interface between the two sets of field lines. The current sheet was associated with a large ion jet suggesting that the current sheet was submitted to a compression which drove magnetic reconnection and led to the formation of the ion jet. The direction, velocity and scale of different structures were inferred using multi-spacecraft data analysis techniques. This study was completed with a plasma wave analysis that focused on the reconnecting current sheet.