Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Multi-instrument study of the hourly pulsations in Saturn's magnetophere
Palmaerts, Benjamin
2017
 

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Keywords :
Saturn; Magnetosphere; Aurora; Pulsations
Abstract :
[en] The exploration of the magnetospheres of Jupiter and Saturn has revealed various periodic processes. Some periodicities are related to the planetary rotation while some others are characterized by a short period. In Saturn's magnetosphere, periodicities of about one hour have been reported in the measurements of charged particle fluxes, plasma wave emissions, magnetic field strength and auroral emission brightness. The frequency, the spatial distribution and the magnetospheric process generating these hourly periodicities are still unknown. Similar short-period pulsations have been also observed in Jupiter's magnetosphere, suggesting that these 1-hour periodicities are the signature of a fundamental process in the magnetospheres of these two giant planets. In this thesis, I performed a thorough analysis of these hourly periodicities at Saturn using the data sets of several instruments on board the Cassini spacecraft in orbit around the giant planet since 2004. First I made a survey of the quasi-periodic 1-hour energetic electron pulsations observed in Saturn's magnetosphere between 2004 and 2014 by the Cassini particle instrumentation. These pulsations appear in the electron fluxes at energies between a hundred keV up to several MeV. The survey includes 720 pulsed electron events observed in the outer magnetosphere over a wide range of latitudes and local times, revealing that this phenomenon is common and frequent in Saturn's magnetosphere. A statistical analysis on the morphological properties of the pulsed events suggests a high-latitude source for the pulsed energetic electrons. I also investigated the simultaneous signatures of the electron pulsations in the radio emissions and the magnetic field measured by Cassini. The results of the multi-instrument study support the scenario of a high-latitude electron source and suggest a possible relation with the auroral processes. Images of Saturn's auroral emissions, which display the ionospheric response to magnetospheric dynamics, have been investigated to highlight any hourly pulsations. A high-latitude auroral spot exhibits quasi-periodic brightening with a periodicity of around 60 minutes. This auroral spot is associated with the magnetospheric cusp and high-latitude magnetopause reconnection in the lobes. Pulsed dayside magnetopause reconnection is likely a common triggering process for the cusp auroral brightening and for the high-latitude energetic electron pulsations. Finally, analysis of the plasma environment with low-energy electron measurements provided evidence of the presence of energetic electron pulsed events in the close vicinity of the magnetopause. Therefore it is suggested that processes at the magnetopause, most likely magnetic reconnection induced by instabilities, generate the hourly electron pulsations located at low latitude. The multi-instrument study achieved in my thesis sets constraints on the origin of the pulsed electron events and bring forward our current understanding on the hourly pulsations in Saturn's magnetosphere.
[fr] L'exploration des magnétosphères de Jupiter et de Saturne a mis en évidence de nombreux phénomènes périodiques. Certaines périodicités sont liées à la rotation planétaire tandis que d'autres sont caractérisées par une courte période. Dans la magnétosphère de Saturne, des périodicités proches d'une heure ont été rapportées dans le flux de particules chargées, les émissions radio, l'intensité du champ magnétique et la brillance des émissions aurorales. La fréquence, la distribution spatiale et le mécanisme magnétosphérique produisant ces périodicités d'une heure restent inconnus. De semblables pulsations à courtes périodes ont également été observées dans la magnétosphère de Jupiter, ce qui semble indiquer que ces périodicités sont la signature d'un processus fondamental se produisant dans les magnétosphères de ces deux planètes géantes. Dans le cadre de cette thèse, j'ai analysé de manière approfondie ces périodicités d'une heure mesurées dans l'environnement de Saturne, en utilisant les données de plusieurs instruments embarqués sur la sonde Cassini, en orbite autour de cette planète depuis 2004. J'ai tout d'abord répertorié toutes les injections quasi-périodiques d'électrons énergétiques détectées entre 2004 et 2014 par l'instrumentation de Cassini. Ces injections se traduisent par des pulsations dans le flux d'électrons à des énergies comprises entre une centaine de keV et plusieurs MeV. L'étude contient 720 événements d'électrons pulsés recensés dans la magnétosphère externe à différentes latitudes et différents temps locaux, ce qui montre que ce phénomène est commun et fréquent dans la magnétosphère de Saturne. Une analyse statistique des propriétés morphologiques des événements pulsés indique que la source des électrons se situe aux hautes latitudes. J'ai aussi étudié les signatures des pulsations électroniques qui apparaissent simultanément dans les émissions radio et dans le champ magnétique mesurés par Cassini. Les résultats de cette observation multi-instrument renforcent le scénario d'une source d'électrons aux hautes latitudes et suggèrent un possible lien avec les processus auroraux. Des images des émissions aurorales sur Saturne, qui sont la réponse ionosphérique à la dynamique magnétosphérique, ont été analysées afin de mettre en évidence d'éventuelles pulsations d'une heure. Une structure aurorale isolée observée aux hautes latitudes montre une luminosité variable marquée par une période d'environ 60 minutes. Ce spot auroral est associé au cornet polaire et à de la reconnexion magnétique à la magnétopause aux hautes latitudes dans les lobes de la magnétosphère. Une reconnexion pulsée à la magnétopause est probablement un processus déclencheur commun pour l'embrillancement périodique de l'aurore du cornet polaire ainsi que pour les pulsations d'électrons énergétiques situées aux hautes latitudes. Enfin, l'analyse de l'environnement de plasma réalisée à l'aide des mesures d'électrons aux basses énergies a révélé la présence d'électrons énergétiques pulsés dans le proche voisinage de la magnétopause. Il est dès lors avancé que des processus à la magnétopause, probablement de la reconnexion magnétique produite par des instabilités, génèrent les pulsations électroniques d'une heure situées aux basses latitudes. L'étude multi-instrument menée dans le cadre de ma thèse apporte de nouveaux éléments sur l'origine des électrons pulsés et accroît notre compréhension actuelle des pulsations d'une heure dans la magnétosphère de Saturne.
Research center :
Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire, Institut STAR
Disciplines :
Space science, astronomy & astrophysics
Author, co-author :
Palmaerts, Benjamin  ;  Université de Liège - ULiège > Form. doct. sc. (sc. spatiales - Bologne)
Language :
English
Title :
Multi-instrument study of the hourly pulsations in Saturn's magnetophere
Defense date :
31 May 2017
Institution :
ULiège - Université de Liège
GAU - Georg-August-Universität Göttingen
Degree :
Docteur en Sciences
Promotor :
Grodent, Denis  ;  Université de Liège - ULiège > Unités de recherche interfacultaires > Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR)
Tilgner, Andreas
President :
Rauw, Grégor  ;  Université de Liège - ULiège > Unités de recherche interfacultaires > Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR)
Jury member :
Radioti, Aikaterini ;  Université de Liège - ULiège > Département d'astrophysique, géophysique et océanographie (AGO) > Labo de physique atmosphérique et planétaire (LPAP)
Krupp, Norbert
Roussos, Elias
Available on ORBi :
since 01 May 2017

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