Modélisation des perturbations électromagnétiques basse fréquence dans un champ magnétique à géométrie de type « miroir »

Olivier Le Contel, CETP/IPSL, CNRS/UVSQ, Vélizy

Résumé

En régime non collisionnel, et dans un champ magnétique à géométrie de type miroir dont l’échelle spatiale caractéristique est grande devant le rayon de Larmor des particules, les particules effectuent un mouvement d’aller et retour le long des lignes de champ. La modélisation des perturbations « basse fréquence », i.e. dont la fréquence (w) est basse devant la fréquence de rebonds des particules (w_r), nécessite un traitement particulier [Pellat, 2000]. D’une part, les résonances, qui peuvent se produire entre les ondes et le mouvement périodique de rebonds des particules, empêchent de fermer le système des équations fluides par une équation d’état locale « classique » de type polytrope. D’autre part, le mouvement rapide des particules le long du champ implique que la réponse du plasma dépend non seulement de la valeur locale de la perturbation du champ électromagnétique mais aussi de la valeur moyennée de celle-ci sur le mouvement de rebonds des particules. Ces effets ne peuvent être décrits par des modélisations « hybrides » où les électrons sont décrits comme un fluide. Les codes « cinétiques » sont a priori les plus adaptés pour étudier ce type de perturbations. Cependant, la description du mouvement de rebonds des particules est consommatrice de temps calcul. En pratique, seuls les codes girocinétiques, qui résolvent les équations moyennées sur le mouvement de giration, sont adaptés à ce type d’études. Analytiquement, il est possible de fournir une description linéarisée de la réponse du plasma à ce type de perturbations basse fréquence et de mettre en évidence ses spécificités. En résolvant le système d’équations Vlasov/Maxwell, et en particulier en traitant explicitement l’équation de quasi-neutralité, on obtient que le champ électrique perturbé est composé de 2 contributions : une partie induite et une partie électrostatique associée au mouvement de rebonds des particules. Dans certains cas, la partie électrostatique s’oppose à la partie induite et on aboutit à une sorte d’effet d’écran [Le Contel, 2000]. Le plasma est alors « bloqué ». Après une présentation rapide des équations de base, je décrirai les résultats et leurs conséquences sur l’étude des mécanismes de reconfiguration rapide de la queue magnétique terrestre et du transport du plasma. Ces considérations seront étendues à un contexte astrophysique plus général.

Références

Le Contel O., Pellat R. and A. Roux, Self-consistent quasi-static radial transport during the substorm growth phase, J. Geophys. Res., 105, 12929-12944, 2000.

Pellat R., Le Contel O., Roux A., Perraut S., Hurricane O., Coroniti F. V., Self-consistent kinetic approach for low-frequency and quasi-static electromagnetic perturbations in magnetic-mirror confined plasmas, Third CNRS School on Solar Astrophysics, Oléron Mai 1998, Transport and Energy Conversion in the Heliosphere, eds J.-P Rozelot, L. Klein and J.-C Vial, Lectures Notes in Physics, Springer, 2000.