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Modélisation de l'interaction du plasma jovien avec l'environnement d'Europe (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR8190-RONMOD-001
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : lundi 7 septembre 2020
Nom du responsable scientifique : Ronan Modolo
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Europe, l'un des quatre satellites galiléens de Jupiter, fait l'objet d'une attention particulière de la communauté pour determiner si cette lune glacée peut potentiellement abriter des conditions favorables au développement de la vie. La ré-analyse des observations de Galiléo, combinée à des simulations numériques, ont apporté de nouveaux indices sur la présence d'un réservoir d'eau liquide en sous-surface pouvant dégager des panaches de vapeur d'eau au-dessus de sa croûte glacée [Jia et al, 2018]. Ces indices sont également corroborés par de précédentes images ultraviolettes du télescope spatial Hubble qui suggèrent la présence de plumes de vapeur d'eau [Roth et al, 2014].
Les missions JUICE (ESA) et EUROPA Clipper (NASA) ont pour objectifs d'étudier cet environnement particulier. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a pour objectif de développer un modèle numérique tri-dimensionnel décrivant l'interaction proche du plasma jovien avec l'environnement d'Europe.

Europe, l'un des quatre satellites galiléens de Jupiter, fait l'objet d'une attention particulière de la communauté car cette lune glacée pourrait potentiellement abriter des conditions favorables au développement de la vie. La ré-analyse des observations de la sonde Galiléo, combinés à des simulations numériques, ont apporté de nouveaux indices sur la présence d'un réservoir d'eau liquide en sous-surface pouvant dégager des panaches de vapeur d'eau au-dessus de sa croûte glacée [Jia et al, 2018]. Ces indices sont également corroborés par de précédentes images ultraviolettes du télescope spatial Hubble qui suggéraient la présence de plumes de vapeur d'eau [Roth et al, 2014].
La mission JUICE (JUpiter ICy moon Explorer), choisie par l'ESA en mai 2012 est la première grande mission du programme Cosmic Vision 2015-2025, permettra d'avoir une compréhension fine du système Jovien dans toute sa complexité, avec notamment un accent mis sur Ganymède en tant que corps planétaire et habitat potentiel. Les études sur les lunes voisines, Europa et Callisto, complèteront un tableau comparatif des conditions environnementales sur les lunes de Galilée et de leur habitabilité potentielle. Dans ce contexte, deux survols d'Europe sont prévus. Par ailleurs, la NASA a récemment confirmé la mission EUROPA Clipper pour l'exploration de la lune de Jupiter et l'étude de son habitabilité. Les satellites Galiléens possèdent des atmosphères ténues, appelées exosphères [McGrath et al, 2004], produites par sublimation et criblage de leurs surfaces. Ces satellites naturels et leurs atmosphères baignent dans le plasma de la magnétosphère de Jupiter (région de l'espace gouvernée par le champ magnétique intrinsèque de la planète). L'interaction entre les atmosphères des satellites galiléens et le plasma jovien modifie la quantité de mouvement du plasma, sa température, génère de forts courants électriques et conduit à la formation de structures particulières appelées ailes d'Alfven. La nature exacte de l'interaction et des processus physiques impliqués dépend de diverses propriétés intrinsèques des lunes [Neubauer et al, 1998].
Des modèles d'interaction magnétosphérique [Saur et al., 1998; Lipatov et al., 2010] indiquent que les courants de plasma au-dessus de la surface constituent un background important pour la détection des signaux de sous-surfaces et doivent être soustraits pour en déduire le champ magnétique induit [Sittler et al, 2010]. La contribution du courant des ions ionosphériques et des ions pickup doit être déterminée avec soin pour caractériser la conductivité de l'océan de sous-surface.
Afin de préparer les futures observations, nous allons réaliser des simulations pour décrire l'environnement ionisé de la lune, en particulier dans le cadre de la mission JUICE pour laquelle R. Modolo est co-I du consortium Radio et Plasma Wave Instruments. Nous utiliserons le modèle 3D parallèle générique multi-espèces LatHyS [Modolo et al, 2016] pour caractériser l'interaction lune-magnétosphère. Le modèle de simulation est basé sur le formalisme dit «hybride» dans lequel les ions sont décrits par un ensemble de particules numériques (appelées macroparticules) à poids ajustable, tandis que les électrons sont représentés par un fluide sans inertie préservant la neutralité de charge du plasma. Les ions et les électrons sont couplés via les équations de Maxwell. L'évolution temporelle des champs électromagnétiques et le mouvement des particules chargées sont calculés en conservant de manière auto-cohérente les effets cinétiques des ions, contrairement aux modèles MHD. De plus, la nature multi-espèces du code LatHyS nous permet de décrire la dynamique de toutes les espèces d'ions (espèces d'ions joviennes et ionosphériques).

Le modèle LatHyS a été utilisé avec succès pour caractériser l'interaction du plasma ambiant (vent solaire ou magnétosphérique) avec un environnement planétaire tel que Mars [Modolo et al, 2005; 2016], Mercure [Richer et al, 2012], Titan [Modolo et al, 2008], Terre [Turcq et al, 2014] et Ganymède [Leclercq et al, 2016; Carnielli et al 2018]. Nous utiliserons la version multi-grille du modèle développé pour Ganymède et l'adapterons à l'environnement d'Europe.

Le plasma ionosphérique sera déterminé par l'ionisation de l'atmosphère neutre d'Europe. Le modèle LatHyS prend en compte les processus de photo-ionisation, d'impact électronique et d'échange de charge. Afin d'avoir une description précise de la production d'ions, nous utiliserons les résultats du modèle global exosphérique développé au LATMOS par Leblanc et al, [2017a] et Oza et al., [2018, 2019]. Ce modèle donnera une carte tridimensionnelle de la densité de O2 pour différentes phases orbitales de la lune autour Jupiter. De plus, Leblanc et al., [En préparation] travaillent actuellement sur une description du panache de vapeur d'eau qui sera prise en compte dans le modèle.

Les différentes régions (atmosphère, ionosphère, magnétosphère) sont couplées, échangeant de l'énergie et de la quantité de mouvement entre les différentes couches / interfaces. Une première approche suivie par notre groupe a été de coupler différents modèles, c'est-à-dire d'utiliser les résultats d'un modèle comme conditions initiales ou limites pour les autres modèles. Cette stratégie a été appliquée avec succès dans les projets ANR HELIOSARES (mars 2009-2014), MARMITE (Mercury 2014-2018) et TEMPETE (2018-2022).
Ce projet repose sur ce couplage et utilisera l'infrastructure développée au cours de ces projets ANR. Les développements seront validés en comparant les résultats de la simulation avec les observations in situ de Galileo, comme cela a été fait pour Mars [par exemple, Leblanc et al, 2017; Modolo et al, 2018; Romanelli et al, 2019], Mercure [Richer et al, 2012] et Ganymède [Leclercq et al, 2015; Carnielli et al, 2019]

Contexte de travail

La thèse est soutenue financièrement par le CNES et le DIM-ACAV+.
Le travail sera réalisé sur deux sites :
- LESIA, Observatoire de Meudon, 4 place Jules Janssen, Meudon
- LATMOS, Sorbonne Université, Tour 45-46, 4eme étage, 5 place jussieu, 75052 Paris cedex 05

La thèse sera co-dirigée et réalisée conjointement au LATMOS et au LESIA.

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