Dans les zones aurorales, d'importantes quantités d'énergie sont déposées dans la haute atmosphère terrestre par les particules énergétiques et par les champs électriques d'origine magnétosphérique. Ces entrées d'énergie, très variables dans le temps et l'espace, s 'ajoutent à l'énergie déposée par le rayonnement EUV et UV solaire, prlncipale source d'énergie de la thermosphère des moyennes latltudes . Elles peuvent modifier la composition et la circulation de l'atmosphère neutre et ionisée au dessus de 90 Km d'altitude environ. La technique de diffusion incohérente, avec les radars de Chatanika en Alaska et EISCAT en Scandinavie, est utilisée pour étudier la température et la densité neutre à la base de la thermosphère et la composition ionique de la région F1 en zone aurorale, pendant les periodes calmes et perturbées

Cette thèse est basée sur cinq publications étudiant les ionosphères terrestre et martienne en s'appuyant sur la combinaison d'observations provenant d'instruments variés ainsi que sur des techniques de modélisation. L'ionosphère terrestre est un système complexe fortement couplé à la magnétosphère et est par conséquent affectée par les perturbations provenant du vent solaire. De nombreux types d'instruments peuvent être utilisés pour étudier la variabilité de l'ionosphère, qu'il s'agisse de systèmes d'observation au sol ou d'instruments à bord de satellites. Deux des articles se focalisent sur les réponses de l'ionosphère terrestre aurorale et subaurorale aux courants de vent solaire rapide émanant des trous coronaux à la surface du soleil. Ces deux études sont basées sur la méthode des époques superposées, qui permet d'obtenir un comportement statistique des paramètres considérés. Pour la première étude, qui s'intéresse à la concentration électronique du pic de la région F de l'ionosphère à l'aide de l'ionosonde de Sodankylä (Finlande, L = 5.2), la méthode des époques superposées a été modifiée en ajoutant un verrouillage de phase permettant de distinguer les réponses de la région F dans différents secteurs de temps magnétique local. La deuxième étude s'intéresse aux précipitations d'électrons énergétiques (>30 keV) durant les courants de vent solaire rapide, en s'appuyant sur des mesures d'absorption du bruit cosmique par des riomètres situés entre L = 3.8 et L = 5.7. Une troisième étude met en évidence pour la première fois des signatures de pulsations dans les données riométriques durant une aurore pulsante. Cela révèle que le flux de précipitation d'électrons est modulé simultanément sur une grande plage d'énergies - de quelques kiloélectronvolts à plusieurs dizaines de kiloélectronvolts - durant une aurore pulsante. Les quatrième et cinquième articles traitent de l'ionosphère martienne. Ils présentent une nouvelle méthode d'analyse des données d'occultation radio fournies par la sonde Mars Express, qui s'appuie non pas sur une inversion des mesures tel qu'effectué classiquement, mais sur une modélisation directe de l'environnement martien - atmosphère neutre et ionosphère - et de la propagation des ondes radio entre la station sol sur Terre et la sonde Mars Express. L'ajustement des paramètres dont dépendent l'atmosphère et l'ionosphère martiennes permet d'obtenir des données d'occultation radio simulées s'approchant le plus possible des données mesurées. L'ajustement optimal donne alors les profils de température et de concentration des neutres ainsi que les profils de concentrations ioniques et électronique dans l'ionosphère martienne au voisinage du point d'occultation. / This thesis is based on five publications studying the terrestrial and Martian ionospheres by making use of versatile instruments and of modelling techniques. The terrestrial ionosphere is a complex system strongly coupled to the magnetosphere and hence very sensitive to solar wind driving. Various kinds of instruments may be used to study the ionosphere, from ground-based instruments to satellite-borne systems. Two papers study the response of the auroral and subauroral ionosphere to solar wind high-speed streams, which originate from coronal holes at the surface of the Sun. These two studies make use of the superposed epoch analysis method, which enables to derive the statistical behaviour of the studied parameters. For the first study, which focuses on the F-region peak electron density measured by the Sodankylä ionosonde (at L = 5.2), the superposed epoch method has been modified so that a study of the effects of high-speed streams in the F region in different magnetic local time sectors becomes possible. The modified method is called phase-locked superposed epoch analysis. The second paper focuses on energetic (>30 keV) electron precipitation during high-speed streams by making use of cosmic noise absorption measurements from a chain of riometers located between L = 3.8 and L = 5.7. A third study reveals for the first time pulsation signatures in cosmic noise absorption data during a pulsating aurora event. This indicates that the electron precipitation flux is modulated simultaneously over a broad range of energies (from a few keV to several tens of keV) in relation to pulsating aurora. The fourth and fifth articles study the Martian ionosphere. They present a novel analysis method for Mars Express radio-occultation data. Contrary to the classical inversion approach, this new method is based on a direct simulation of the radio wave propagation between the ground-based station at Earth and the Mars Express spacecraft, in a modelled Martian environment. The parameters determining the properties of the neutral atmosphere and the ionosphere of Mars are adjusted in order for the simulated radio-occultation data to fit the measured data. The optimal set of parameters provides the retrieved neutral temperature and density profiles in the atmosphere, and the ion and electron density profiles in the ionosphere near the occultation point.

L'objet de notre étude est la dynamique des plasmas collisionnels soumis à un champ électrique aligné au champ magnétique en bordure d'aurore. De fortes densités de courant aligné ont été mises en évidence à la fois par des modèles électrodynamiques et des mesures satellites ou radars. Différents auteurs et différents types de travaux (expérimentaux ou de modélisation) montrent que les densités de courant peuvent atteindre des centaines de μA.m−2 en bordure des arcs auroraux. Ces densités de courant sont à l'origine de multiples phénomènes tels que : le chauffage du plasma ionosphérique, l'échappement des ions et le développement d'instabilités. Ces fortes densités de courant impliquent la présence d'un champ électrique parallèle qui peut entraîner des effets cinétiques tels que la création d'électrons runaway. L'étude des électrons runaway n'est pas nouvelle et intervient dans différents domaines tels que la fusion nucléaire, le chauffage de la couronne solaire ou les phénomènes lumineux transitoires tels que les sprites. Dans notre cas, nous nous intéressons à l'ionosphère terrestre où l'étude des électrons runaway est un sujet très novateur. <br />Ainsi, nous allons étudier la dynamique des électrons portant ces courants très intenses. Pour cela, nous considérons un ensemble d'électrons se déplaçant à travers un gaz ionosphérique d'ions et de neutres et soumis à un champ électrique aligné au champ magnétique. Nous avons développé un modèle cinétique de collisions, incluant les collisions électrons/électrons, électrons/ions et électrons/neutres. Nous utilisons une approche Fokker-Planck afin de décrire les collisions binaires entre les particules chargées (interactions à longue portée). L'opérateur de collisions comporte deux parties : l'équation de Langevin pour les collisions électrons/électrons et électrons/ions et la méthode de Monte-Carlo avec une approche "collision nulle" pour les collisions électrons/neutres. Nous donnons un exemple de retour à l'équilibre afin de tester ces opérateurs de collisions et d'étudier l'impact des différents termes (les collisions électrons/électrons et électrons/ions d'une part et les collisions électrons/neutres d'autre part). <br />Tout d'abord, nous considérons un champ électrique constant au cours du temps. Dans ce test, les électrons sont déplacés uniquement selon z, la direction parallèle au champ electrique et au champ magnétique. Nous constatons alors que les fonctions de distribution ne sont plus maxwelliennes et que des électrons runaway sont créés. Ces électrons représentent 20% de la densité totale et ce sont eux qui portent le courant. Cependant, nous remarquons que nous ne conservons pas la divergence du courant nulle.<br />Nous introduisons alors des modifications majeures telles qu'une rétroaction sur le champ électrique ou la résolution des équations fluides afin de tenir compte de l'évolution des moments de la fonction de distribution des ions. Nous observons que les fonctions de distribution des électrons restent non maxwelliennes. Des électrons suprathermiques sont créés et portent le courant. En effet, la population correspondant au coeur de la distribution reste au repos. Comme ces électrons subissent moins de collisions, ils augmentent la conductivité du plasma.<br />Enfin, nous avons réalisé une étude paramétrique afin d'étudier l'influence des divers paramètres d'entrée (densité de courant, densité électronique, temps de montée du courant...) sur les fonctions de distribution. Pour cela, nous ajustons deux maxwelliennes qui correspondent au coeur de la distribution et à la population suprathermique. Nous mettons en avant le fait que le temps de montée du courant, c'est-à-dire le temps nécessaire pour atteindre la valeur maximale du courant, est un paramètre clef. En effet, augmenter ce temps influe essentiellement sur les températures : la température moyenne des électrons, mais aussi celle des électrons de la population représentant le coeur de la distribution et de la population suprathermique. La densité de courant joue également un rôle primordial.Augmenter la densité de courant augmente l'ensemble des paramètres : la densité et la vitesse moyenne des électrons runaway et les températures électroniques des deux populations. L'étude sur la densité a révélé que, plus la densité électronique totale augmente, plus la température et la vitesse moyenne des électrons suprathermiques diminuent.

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.