Soutenance de thèse de Lucas COLOMBAN (LPC2E) le 30 nov 2023 à 14h00

Je vous informe que ma soutenance de thèse intitulée «Interactions between whistler waves and solar wind suprathermal electrons: Solar Orbiter and Parker Solar Probe observations» aura lieu le 30/11/2023 dans la grande salle de réunion du LPC2E à 14h (heure de Paris).

Il est possible d’y assister à distance :
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Jury :

LE CONTEL Olivier CNRS (LPP, Paris), rapporteur
PIERRARD Viviane (IASB, Bruxelles), rapporteuse
ALEXANDROVA Olga (LESIA, Meudon), examinatrice
DUDOK DE WIT Thierry (LPC2E, Orléans), examinateur
VERSCHAREN Daniel (MSSL, London), examinateur
KRETZSCHMAR Matthieu (LPC2E, Orléans), directeur de thèse
KRASNOSELSKIKH Vladimir (LPC2E, Orléans), directeur de thèse
   membres invités :
LAVRAUD Benoit (LAB, Bordeaux)
MAKSIMOVIC Milan (LESIA, Meudon)

Abstract :

L'évolution de la fonction de distribution des électrons du vent solaire avec la distance héliocentrique présente des caractéristiques encore inexpliquées. Nous pouvons citer l'augmentation de la largeur angulaire du faisceau d’électrons suprathermiques aligné avec le champ magnétique (Strahl). Cette augmentation est associée à une augmentation de la densité relative des électrons suprathermiques plus isotrope du halo et à la diminution rapide du flux de chaleur. Dans cette thèse, nous cherchons à préciser le rôle des interactions ondes-particules dans cette dynamique et en particulier à savoir si les ondes de sifflement peuvent expliquer l'augmentation observée de la largeur angulaire du Strahl.

Pour ce faire, nous effectuons d'abord une analyse statistique de ces ondes avec Solar Orbiter et Parker Solar Probe (PSP), entre 0,2 et 1 UA. 110 000 paquets d'ondes sont détectés et caractérisés dans le référentiel du plasma. L'écrasante majorité des ondes ont un angle de propagation θ quasi-aligné avec le champ magnétique. Au-delà de 0,3 UA, les ondes sont alignées avec le Strahl (y compris lors des "switchbacks"), et il n'y a pratiquement pas d'ondes obliques (θ ~ 70°). Ces dernières ont pourtant été prédites par de nombreuses études et sont théoriquement très efficaces pour diffuser les électrons du Strahl. À 0,2 UA, environ la moitié des ondes sont "counter-streaming" et la proportion d'ondes obliques reste très faible. Les caractéristiques des ondes sont ensuite utilisées pour calculer les coefficients de diffusion dans le cadre de la théorie quasi-linéaire. Ces coefficients sont intégrés, en utilisant l'occurrence des ondes, afin de déduire l'effet global des siffleurs sur les électrons suprathermiques. Au-delà de 0,3 UA, les ondes de sifflement peuvent expliquer l'augmentation observée de la largeur angulaire du Strahl et sont efficaces pour isotropiser le halo. Nous montrons que la diffusion du Strahl est due à des ondes légèrement obliques, θ ∈[15,45]°. Près de 0,2 UA, les ondes counter-streaming diffusent les électrons de Strahl plus efficacement que les ondes alignées avec le Strahl de deux ordres de grandeur.

Par ailleurs, un problème technique avec une bobine du fluxmètre tri-axial (SCM) de PSP à la fin de l'orbite 1 nous a empêché de déduire directement les propriétés de polarisation des ondes de sifflement pour les orbites suivantes. Nous proposons une technique utilisant les champs électromagnétiques disponibles pour reconstruire les composantes manquantes (et donc les propriétés de polarisation des ondes) en négligeant le champ électrique parallèle au champ magnétique. Cette technique est applicable avec les hypothèses suivantes : (i) la fréquence de l'onde dans le repère du plasma est petite par rapport à la fréquence cyclotronique électronique ; (ii) un petit angle de propagation par rapport au champ magnétique ; et (iii) une grande vitesse de phase par rapport à la vitesse du vent solaire perpendiculaire au champ magnétique. La méthode ne peut pas être appliquée si le champ magnétique est aligné avec la bobine du SCM concernée. Nous validons notre méthode en utilisant les mesures en mode rafale effectuées lors de l'orbite 1. Les conditions de reconstruction sont satisfaites pour 80% des siffleurs détectés. Cette méthode permet de révéler pour la première fois les propriétés de polarisation des ondes sifflantes jusqu'à 10 rayons solaires (~ 0,05 UA).

Ce travail est une étape importante pour la prise en compte des interactions ondes-particules dans les modèles cinétiques et pour améliorer notre description du vent solaire.

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I would like to inform you that my thesis defense entitled "Interactions between whistler waves and solar wind suprathermal electrons: Solar Orbiter and Parker Solar Probe observations" will take place on 2023/11/30 in the LPC2E meeting room at 2pm (Paris time).

It is possible to attend remotely:
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Meeting ID: 941 7421 0124
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Abstract :

The evolution of the solar wind electron distribution function with heliocentric distance exhibits features that are still unexplained. We can mention the increase in the angular width of the beam of suprathermal electrons aligned with the magnetic field (Strahl). This increase is associated with an increase in the relative density of the more isotropic halo electrons and the rapid decrease of the heat flux.  In this thesis, we investigate the role of wave-particle interactions in these dynamics, and in particular whether whistler waves can explain the observed increase in the Strahl angular width.

To achieve this, we first perform a statistical analysis of these waves with Solar Orbiter and Parker Solar Probe (PSP), between 0.2 and 1 AU. 110,000 wave packets are detected and characterized in the plasma frame. The overwhelming majority of waves have an angle of propagation (θ) quasi-aligned with the magnetic field.
Beyond 0.3 AU, the waves are aligned with the Strahl (including during switchbacks), and there are virtually no oblique (θ ~ 70°) waves. The latter were predicated by many studies and are theoretically very efficient in diffusing Strahl electrons. At 0.2 AU, about half of the waves are counter-streaming, and the proportion of oblique waves remains very low. The wave characteristics are then used to compute the diffusion coefficients in the framework of quasi-linear theory. These coefficients are integrated, using the occurrence of the waves, in order to deduce the overall effect of whistlers on suprathermal electrons. Beyond 0.3 AU, whistler waves can explain the observed increase in Strahl angular width and are effective in isotropizing the halo. Strahl diffusion is due to slightly oblique (θ ∈[15,45]°) waves. Near 0.2 AU, counter-streaming waves diffuse Strahl electrons more efficiently than Strahl-aligned waves by two orders of magnitude.

However, a technical issue with one coil of the Search-Coil Magnetometer (SCM) of PSP at the end of Encounter 1 prevented us from directly deducing the polarization properties of whistler waves for the subsequent encounters. We propose a technique using the available electromagnetic fields to reconstruct the missing components (and therefore the polarization properties of the waves) by neglecting the electric field parallel to the background magnetic field. This technique is applicable with the assumptions of (i) a small wave frequency in the plasma frame with respect to the electron cyclotron frequency; (ii) a small propagation angle with respect to the background magnetic field; and (iii) a large wave phase speed relative to the cross-field solar wind velocity. Critically, the method cannot be applied if the background magnetic field is aligned with the affected SCM coil. We validate our method using burst mode measurements made during Encounter 1. The reconstruction conditions are satisfied for 80% of the whistlers detected. This method reveal the polarization properties of whistler waves down to 10 solar radii (~ 0.05 AU) for the first time.

This work is an important step in order to include wave-particle interactions in kinetic models and to improve our description of the solar wind.