Ultra Low Frequency (ULF) waves are a ubiquitous feature of Earth's outer atmosphere, known as the magnetosphere, having been observed on the ground for almost two centuries, and in space over the last 50 years. These waves represent small oscillations in Earth's magnetic field, most often as a response to the external influence of the solar wind. They are important for the transfer of energy throughout the magnetosphere and for coupling different regions together. In this thesis, various features of these oscillations are considered. A detailed background on the history and previous study of ULF waves relevant to our work is given in the introductory chapter. In the following chapters, we predominantly use numerical methods to model ULF waves, which are carefully developed and thoroughly tested. We consider the application of these methods to reports on ground and spaced based observations, which allows a more in depth study of the data. In one case, the simulation results provide evidence for an alternative explanation of the data to the original report, which displays the power of theoretical modelling. An analytical model is also constructed, which is tested on simulation data, to identify the incidence and reflection of a class of ULF wave in the flank magnetosphere. This technique is developed with the aim of future applications to satellite data. Further to this, we develop models both in Cartesian and dipole geometries to investigate some of the theoretical aspects of the coupling between various waves modes. New light is shed on the coupling of compressional (fast) and transverse (Alfvén) magnetohydrodynamic (MHD) wave modes in a 3D dipole geometry. Overall, this thesis aims to develop useful numerical models, which can be used to aid in the interpretation of ULF wave observations, as well as probing new aspects of the existing wave theory.

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 spectroscopie de bruit quasi-thermique est une méthode précise de déterminat-ion de la densité et de la température dans les plasmas spatiaux. Lorsqu'une antenne électrique est immergé dans un plasma, elle est capable de mesurer les fluctuations électrostatiques provoquées par le mouvement thermique des particules de plasma. Ces fluctuations sont détectées par la densité de puissance spectrale aux bornes de l'antenne, en observant un spectre à des fréquences comparables à la fréquence plasma électronique aussi bien pour les électrons que pour les protons, car le signal du proton est fortement décalé Doppler vers des fréquences plus élevées en raison de la vitesse de dérive du vent solaire. En plus d'induire le champ électrique fluctuant, une partie des électrons impactent sur la surface de l'antenne, ce qui provoque des perturbations de son potentiel électrique. Le signal provoqué par cette population est directement proportionnelle au flux d'électrons du plasma impactant l'antenne et est dominante si l'antenne a une grande surface. Dans ce travail, nous utilisons la théorie de l'orbite limite pour calculer le flux de particules impactantes pour un plasma non thermique décrit par fonction de distribution de vitesses $kappa$ ou Lorentzienne, communément mesurée dans le vent solaire. L'augmentation de la collecte de particules par des objets cylindriques et sphériques est quantifié et présenté en tant que fonction du potentiel électrostatique de surface et de la fraction des particules supra-thermique. La prise en compte de ces résultats théoriques est absolument nécessaire pour des mesures précises des paramètres du plasma à chaque fois que le bruit d'impact est l'élément dominant dans le spectre de puissance. Ceci est le cas pour STEREO, car les bruit d'impact est dominant pour cette sonde, en raison de la présence d'antennes courtes et épaisses. L'étude approfondie des données sur cette mission est motivée par le fait que ses analyseurs d'électrons sont défectueux depuis le lancement et aucune information sur les électrons thermiques n'est disponible. Les résultats obtenus sont vérifiés en comparant avec les résultats de Wind, montrant une bonne concordance entre les valeurs mesurées par les deux satellites. Les incertitudes des mesures sont déterminées par les incertitudes des instruments utilisés et sont estimés à environ $40%$. Le résultat final de ce travail sera l'établissement d'une base de données des moments d'électrons pour les deux sondes STEREO A et B qui couvriront toute la durée de la mission. Dans une seconde partie de la thèse, nous utilisons l'approche cinétique pour étendre la théorie du bruit quasi-thermique à des plasmas où les collisions des électrons avec les neutres jouent un rôle dominant. Cette technique permet de mesurer la densité et la température des électrons, et aussi la fréquence des collisions en tant que paramètres indépendants. Ceci est obtenu sur une large gamme de fréquences aussi bien en dessous qu'au dessus de la fréquence plasma, pour peu que le rapport entre la fréquence de collision et fréquence de plasma ne soit pas inférieur à 0.1. Les résultats présentés ici peuvent potentiellement être appliqués avec succès dans les plasmas de laboratoire et ionosphères non magnétisés, tandis que pour l'ionosphère de la Terre leur utilisation est limitée aux fréquences basses à cause de la présence d'un champ magnétique fort. / The quasi-thermal noise spectroscopy is an accurate method of determination of density and temperature in space plasmas. When an electric antenna is immersed into a plasma, it is able to measure electrostatic fluctuations caused by the thermal motion of plasma particles. These fluctuations are detected as the power spectral density at the antenna terminals, observing a spectrum at frequencies comparable to the electron plasma frequency for both electrons and protons, since the proton signal is strongly Doppler-shifted towards higher frequencies due to the solar wind drift velocity. Beside inducing the fluctuating electric field, some of the electrons are impacting the antenna surface, causing disturbances of the antenna electric potential. The signal caused by this population is directly proportional to the flux of plasma electrons impacting the antenna and is dominant if the antenna has a large surface area. In this work, we use the orbit limited theory to calculate the incoming particle flux for a non-thermal plasma described by $kappa$ velocity distribution function, commonly measured in the solar wind. The increase in the particle collection by cylindrical and spherical objects is quantified and presented as a function of the surface electrostatic potential and the fraction of supra-thermal particles. Including these results into the theory has turned out to be absolutely necessary for accurate measurements of the plasma parameters whenever the shot noise is the dominant component in the power spectrum. This is the case for STEREO because the impact noise is overwhelming on this probe, due to the presence of short and thick antennas. The comprehensive study of data on this mission is motivated by the fact that the electron analyzers are malfunctioning since launch and no information on thermal electrons is available. Results obtained are verified by comparing with the results from Wind, showing a good match between the values measured by the two spacecraft. Uncertainties of the measurements are determined by the uncertainties of the instruments used and are estimated to be around $40%$. The final outcome of this work will be establishing a database of the electron moments in both STEREO A and B that will be covering the entire duration of the mission. In the second part of the thesis, we use the kinetic approach to expand the theory of the quasi-thermal noise to plasmas where electron-neutral collisions play a dominant role. This technique is able to measure the electron density, temperature and the collision frequency as independent parameters using the wide frequency range both below and above the plasma frequency, if the ratio of the collisional to plasma frequency is not smaller than 0.1. The results presented here have can be potentially applied in laboratory plasmas and unmagnetized ionospheres, while at the ionosphere of Earth their use is limited to low frequencies due to the presence of the magnetic field.

Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. <p>Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). <p>En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. <p>Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. <p><p>Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma.<p><p>Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more <p>detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed.<p> <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Includes Van Allen thesis (M.S.)--University of Iowa, 1936, and thesis (Ph.D.)--University of Iowa, 1939.