Les nuages magnétiques ("Magnetic Clouds ", MCs) sont assimilés à des structures helicoïdales à grande échelle interagissant avec le milieu interplanétaire au cours de leur propagation. McComas et al. (1988), suivi par Dasso et al. (2006), ont envisagé la reconnexion magnétique comme processus pouvant graduellement éroder la structure externe des éjections de masse coronale interplanétaires. Ce processus d'érosion est le sujet central de cette thèse. Tout d'abord, nous confirmons l'existence de l'érosion d'un nuage magnétique grâce à une étude multi-satellites combinant un ensemble de signatures clés. Après avoir déterminé l'orientation des axes du MC par différentes méthodes, nous estimons le taux de flux magnétique érodé en analysant les variations du flux magnétique azimutal du MC. Nous démontrons aussi la présence de signatures de reconnexion magnétique à la frontière avant du MC, tel qu'attendue. Finalement, nous étudions les caractéristiques de la distribution en angle d'attaque des électrons suprathermiques dans la région arrière du MC. Ces électrons indiquent des modifications topologiques à grande échelle, attendues du processus d'érosion. Dans une seconde partie, une analyse statistique de tous les nuages magnétiques observés au cours de la période 1995-2008 est réalisée dans le but de quantifier ce processus. Nous montrons que ce processus est récurrent : l'érosion est relevée à l'avant et à l'arrière dans les mêmes proportions. Cela est confirmé par l'étude statistique des jets de plasma aux frontières, qui démontre indépendamment la fréquence élevée du processus d'érosion. Dans une dernière partie, parce que le mécanisme d'érosion est susceptible de supprimer une partie de flux magnétique orienté vers le Sud d'un MC, à l'avant ou à l'arrière, nous étudions l'impact potentiel de l'érosion sur la géo-efficacité résultante, en utilisant un modèle de MC combiné à un modèle empirique de l'intensité du courant annulaire terrestre. Nous modélisons aussi l'évolution radiale de ce processus. Nous concluons que la majeure partie de l'érosion se produit à l'intérieur de l'orbite de Mercure.

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.

Cette thèse comporte deux thèmes principaux: l'un concerne l'accélération non adiabatique des ions dans la couche de plasma proche de la Terre, l'autre les pulsations géomagnétiques dues à la décroissance de la pression dynamique du vent solaire. L'accélération nonadiabatique des ions de la couche de plasma est importante pour comprendre la formation du courant annulaire et les injections énergétiques des sous-orages. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des études de cas d'accélération non adiabatique des ions de la couche de plasma observés par Cluster et TC-1 Double Star dans la queue magnétique proche de la Terre (par exemple à (X,Y, Z)=(-7.7, 4.6, 3.0) RT lors de l'évènement du 30 octobre 2006), beaucoup plus près de la Terre que ceux qui avaient été précédemment observés. Nous trouvons que les variations du flux d'énergie des ions, qui sont caractérisées par une décroissance entre 10 eV et 20 keV et une augmentation entre 28 keV et 70 keV, sont causées par l'accélération non adiabatique des ions associée étroitement avec les fortes fluctuations du champ électromagnétique autour de la gyrofréquence des ions H+. Nous trouvons aussi que les ions après l'accélération non adiabatique sont groupés en phase de gyration et c'est la première fois que ceci est trouvé dans la couche de plasma alors que cet effet a été observé dans le vent solaire dans les années 1980. Nous interprétons les variations de flux d'énergie des ions et les groupements en phase de gyration en utilisant un modèle non adiabatique. Les résultats analytiques et les spectres simulés sont en bon accord avec les observations. Cette analyse suggère que cette acceleration nonadiabatique associée aves les fluctuations du cham magnétique est un mécanisme efficace pour l'accélération des ions dans la couche de plasma proche de la Terre. Les structures de flux d'énergie présentées peuvent être uilisées comme un proxy pour identifier ce processus dynamique. Dans le deuxième thème, nous étudions la réponse du champ géomagnétique à une impulsion de la pression dynamique (Psw) du vent solaire qui a atteint la magnétosphère le 24 août 2005. En utilisant les données du champ géomagnétique à haute résolution fournies par 15 stations au sol et les données des satellites Geotail, TC-1 et TC-2, nous avons étudié les pulsations géomagnétiques aux latitudes aurorales dues à la décroissance brusque de Psw dans la limite arrière de l'impulsion. Les résultats montrent que la décroissance brutale de Psw peut exciter une pulsation globale dans la gamme de fréquence 4.3-11.6 mHz. L'inversion des polarisations entre deux stations des latitudes aurorales, la densité spectrale de puissance (PSD) plus grande près de la latitude de résonance et la fréquence augmentant avec la diminution de la latitude indiquent que les pulsations sont associées avec la résonance des lignes de champ (FLR). La fréquence résonante fondamentale (la fréquence du pic de PSD entre 4.3-5.8 mHz) dépend du temps magnétique local et est maximale autour du midi local magnétique. Cette caractéristique est due au fait que la dimension de la cavité magnétosphérique dépend du temps et est minimale à midi. Une onde harmonique est aussi observée à environ 10 mHz, qui est maximale dans le secteur jour, et est fortement atténuée lorsque on va vers le coté nuit. La comparaison entre les PSDs des pulsations provoquées pas l'augmentation brutale et la décroissance brutale de Psw montre que la fréquence des pulsations est inversement proportionnelle à la dimension de la magnétopause. Puisque la résonance des lignes de champ (FLR) est excitée par des ondes cavité compressée/guide d'onde, ces résultats indiquent que la fréquence de résonance dans la cavité magnétosphérique/guide d'onde est due non seulement aux paramètres du vent solaire mais est aussi influencée par le temps magnétique local du point d'observation.

Abstract This thesis studies the ionospheres of the Earth and Mars by combining the observations of versatile instruments providing information on various aspects of the planetary environments. The work on the terrestrial ionosphere focuses particularly on solar wind–magnetosphere–ionosphere coupling, while the work on the Martian ionosphere is based on the development of a new approach to analyse radio-occultation data to retrieve the atmospheric and ionospheric profiles. In the Earth's ionosphere, two papers study the effects of solar wind high-speed streams on the ionospheric F-region peak electron density and on cosmic noise absorption resulting from the precipitation of energetic (>30 keV) electrons into the D region. For the first paper, a modified version of the superposed epoch analysis method, called phase-locked superposed epoch analysis method, was developed. The main finding is that a depletion near the F-region peak takes place in the afternoon and evening sectors during high-speed stream events. This could be explained by an increase in the electron loss rate as a consequence of ion-neutral frictional heating, which enhances the ion temperature and leads to neutral atmosphere expansion. In addition, dayside and post-midnight F-peak electron density increases are observed, probably related to soft particle precipitation. The second study reveals that cosmic noise absorption occurs during up to 4 days after the arrival of a high-speed stream, as substorm-injected energetic electrons precipitate in the midnight to early-afternoon ionosphere, principally at auroral latitudes. A third study reports for the first time observations of a modulation of cosmic noise absorption at periods near 10 s, associated with pulsating aurora. This suggests that the energetic component of the precipitating ux is modulated consistently with the auroral (1–10 keV) energies. At Mars, radio-occultation experiments have been performed by the Mars Express spacecraft since 2004. In this thesis, a new data analysis approach is developed, based on the numerical simulation of radio wave propagation through modelled Martian atmosphere and ionosphere. This approach enables one to overcome limitations inherent in the classical inversion method which has been in use so far. It also gives access to new parameters such as ion density profiles. The new method is tested by analysing the data from two radio-occultation experiments. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja tutkii Maapallon ja Marsin ionosfäärejä yhdistämällä useiden eri instrumenttien havaintoja, joilla saadaan tietoa planeettojen ympäristöistä. Maapallon ionosfääriä koskeva työ tutkii aurinkotuuli–magnetosfääri–ionosfäärikytkentää, kun taas Marsin ionosfääriä koskevan työn tavoite on uuden radio-okkultaatiomittauksen data-analyysimenetelmän kehittäminen, joka tuottaa ilmakehän ja ionosfäärin profiileja. Maan ionosfäärin tapauksessa yhdessä julkaisussa tutkitaan nopeiden aurinkotuulivirtausten vaikutuksia F-kerroksen elektronitiheyteen ja toisessa julkaisussa tutkitaan energeettisten (>30 keV) elektronien sateesta johtuvaa kosmisen radiokohinan absorptiota D-kerroksessa. Ensimmäisessä julkaisussa on kehitetty uusi versio data-analyysimenetelmästä, jota kutsutaan vaihelukituksi epookkien superpositiomenetelmäksi. Julkaisun päätulos on, että nopeiden aurinkotuulivirtausten aikana F-kerroksen maksimielektronitiheys pienenee iltapäivän ja illan sektoreilla. Tämä voidaan selittää johtuvan siitä, että ioni-neutraalitörmäysten synnyttämä kitkalämpö kasvattaa ionilämpötilaa ja aiheuttaa lisäksi ilmakehän laajenemisen. Molemmat prosessit kasvattavat elektronien häviönopeutta. F-kerroksen elektronitiheysmaksimi puolestaan kasvaa sektorilla, joka ulottuu keskiyöstä aamun kautta keskipäivään, ja tämä johtuu matalaenergeettisestä elektronisateesta. Toisessa julkaisussa havaitaan, että lisääntynyt kosmisen radiokohinan absorptio kestää jopa neljä päivää nopean aurinkotuulivirtauksen saavuttua Maan kohdalle. Tämä johtuu siitä, että alimyrskyitse injektoidut energeettiset elektronit satavat keskiyön ja aamun ionosfääriin, pääasiassa revontuliovaalin alueella. Kolmas julkaisu raportoi ensimmäistä kertaa havainnon sykkiviin revontuliin liittyvästä kosmisen radiokohinan absorptiosta n. 10 s jaksollisuudella. Tämä osoittaa, että elektronivuon energeettinen komponentti on moduloitu samalla jaksollisuudella kuin revontulielektronien energiat (1–10 keV). Marsissa on tehty radio-okkultaatiomittauksia vuodesta 2004 saakka Mars Express -luotaimen avulla. Vaitoskirjassa on kehitetty uusi datan analyysimenetelmä, joka perustuu numeeriseen simulointiin radioaaltojen etenemisestä Marsin ilmakehässä ja ionosfäärissä. Tämän lähestymistavan avulla vältetään tähän asti käytetyn klassisen inversiomenetelmän rajoitukset. Lisäksi menetelmä tuottaa uusia parametrejä kuten ionitiheysprofiileja. Uutta menetelmää testattiin tulkiten kahden radio-okkultaatiomittauksen aineistoa. / Résumé Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse s'articule autour de l'étude des ionosphères terrestre et martienne. Une approche multi-instrumentale est adoptée afin de combiner des observations permettant de mettre en perspective des manifestations de phénomènes physiques de natures différentes mais intervenant dans un même contexte global. Le travail doctoral comporte également un volet modélisation. Le manuscrit de thèse consiste en une partie introductrice à laquelle sont adossées cinq publications dans des revues scientifiques à comité de lecture. La partie introductrice de ce manuscrit de thèse a pour objectif de présenter le contexte scientifique sur lequel est basé le travail doctoral. Un premier chapitre passe en revue les principaux aspects théoriques dans lesquels s'inscrivent les études dont les résultats sont publiés dans les cinq articles. Les atmosphères et ionosphères de la Terre et de Mars y sont succinctement décrites, de même que les interactions entre ces planètes et le vent solaire, comprenant notamment la formation de magnétosphères. Les deux chapitres suivants présentent les instruments dont sont issues les données utilisées dans ce travail doctoral ainsi que les méthodes d'analyse des données. Le quatrième chapitre résume les principaux résultats obtenus autour des trois grandes thématiques abordées au cours de cette thèse. Enfin, des pistes quant à la continuation potentielle du travail présenté dans ce manuscrit de thèse sont évoquées en conclusion. Le premier article porte sur une étude statistique des effets des courants de vent solaire rapide sur la région F de l'ionosphère aurorale. Il s'appuie sur des données mesurées par l'ionosonde de Sodankylä entre 2006 et 2008. Au cours de cette période, 95 événements associés à des courants de vent solaire rapide ont été sélectionnés, et la réponse de l'ionosphère au-dessus de Sodankylä a été étudiée à partir des fréquences critiques des régions E et F de l'ionosphère, qui donnent la valeur du pic de concentration électronique dans ces deux régions. Pour cela, une version modifiée de la méthode des époques superposées a été développée, appelée “méthode des époques superposées avec verrouillage de phase”. Une augmentation du pic de concentration des régions E et F est observée du côté nuit et le matin, en lien avec une activité aurorale accrue, tandis qu'une déplétion de la région F est révélée aux temps magnétiques locaux situés entre 12 h et 23 h. Une estimation des effets d'une possible modification de l'équilibre photo-chimique résultant d'un accroissement du chauffage issu de la friction entre les ions et les éléments neutres est proposée. Le deuxième article s'intéresse aux précipitations énergétiques dans l'ionosphère aurorale durant ces mêmes 95 événements, en étudiant l'absorption du bruit cosmique qui en résulte. Il apparaît que les événements au cours desquels le vent solaire demeure rapide pendant plusieurs jours produisent davantage de précipitations énergétiques, qui peuvent atteindre les latitudes subaurorales. Par ailleurs, trois types de précipitations énergétiques sont étudiés séparément, selon qu'elles sont associées avec des signatures de sous-orage magnétique, avec des pulsations géomagnétiques, ou ni l'un ni l'autre. Les deux premiers types de précipitations semblent liés. En effet, l'analyse des données suggère que les électrons énergétiques sont injectés dans la magnétosphère interne durant les sous-orages. Tandis qu'une partie d'entre eux précipitent immédiatement du côté nuit, d'autres dérivent vers le côté matin, où ils subissent des interactions avec des ondes électromagnétiques de type siffleur (whistler en anglais), qui peuvent être modulées par des pulsations géomagnétiques, menant à leur précipitation. Le troisième article présente pour la première fois l'observation de signatures d'aurore pulsante dans des données d'absorption du bruit cosmique. Ces signatures sont consistantes avec les pulsations observables dans l'émission aurorale, et semblent indiquer une modulation cohérente des composantes aurorale (1–10 keV) et énergétique (> 30 keV) du spectre des précipitations électroniques au cours d'une aurore pulsante. Le quatrième article introduit une nouvelle méthode proposée pour analyser les données de radio-occultation mesurées par la sonde Mars Express. Cette approche vise à contourner des difficultés posées par les hypothèses fortes nécessaires à la mise en œuvre de la méthode classique d'inversion, notamment celle d'un environnement martien à symétrie sphérique — qui n'est pas acceptable lors de sondages proches du terminateur jour-nuit. La nouvelle méthode est basée sur la modélisation de l'atmosphère et de l'ionosphère de Mars, et sur la simulation de la propagation des ondes radio entre la station sol sur Terre et Mars Express lors d'une expérience de radio-occultation. Les paramètres libres contrôlant les profils atmosphériques et ionosphériques sont ajustés afin que la simulation reproduise le plus fidèlement possible les mesures. Le cinquième article est une réponse à un commentaire sur l'article précédent. Il vise d'une part à répondre aux critiques émises sur la méthode développée, montrant que celles-ci n'en remettent en cause ni la validité ni la pertinence, et d'autre part à y apporter quelques améliorations.