Étude et modélisation des courants électriques circulant dans la région F de l’ionosphère

Le champ géomagnétique est produit par de nombreuses sources. Parmi les sources les plus importantes, on compte notamment les courants électriques générés par la convection de liquide conducteur dans le noyau externe de la Terre, l'aimantation des roches de la lithosphère, les courants électriques circulant dans l'ionosphère et la magnétosphère, et les courants électriques induits dans le manteau terrestre. Le champ géomagnétique est mesuré en continu à la surface de la Terre dans les observatoires magnétiques et par des magnétomètres embarqués à bord de satellites en orbite basse. Il peut être modélisé de façon empirique en représentant chacune de ses sources par un modèle mathématique paramétré, construit avec les harmoniques sphériques. Les paramètres des modèles sont estimés par inversion de données en utilisant les données magnétiques des observatoires et des satellites. Cependant, ces modèles font en général l'hypothèse que les données magnétiques sont acquises dans des régions sans source, or il est établi que la région F de l'ionosphère - région dans laquelle orbitent les satellites - abrite un système de courants électriques complexe. Le champ produit par ces courants n'est pas pris en compte par la plupart des modèles existants. Dans cette thèse, on se propose d'étudier conjointement les courants électriques qui circulent dans la région F de l'ionosphère et le champ produit par ces courants. Ceux-ci sont étudiés en utilisant les données des observatoires magnétiques du réseau Intermagnet et celles des satellites de la constellation Swarm, ainsi que plusieurs modèles empiriques de champ potentiel. Le travail est divisé en deux parties. La première partie correspond à une étude des résidus du champ magnétique - c’est-à-dire le signal restant dans les données magnétiques après avoir soustrait les prédictions des modèles -. Cette étude permet d'identifier plusieurs signaux dans les résidus et de mettre en relation ces signaux avec le champ produit par les courants électriques qui circulent dans la région F de l’ionosphère. La seconde partie utilise ces résidus à travers deux approches. La première se base sur une nouvelle méthode, développée dans le cadre de cette thèse, qui fournit des estimations locales des trois composantes du vecteur de densité de courant électrique en utilisant les trois satellites Swarm. L'algorithme permet en particulier de propager rigoureusement les erreurs à travers le calcul et fournit des barres d'erreur robustes. Cette méthode a été appliquée à la journée du 15 février 2014 aux moyennes et basses latitudes par temps géomagnétique calme. La seconde approche est une étude plus globale. Elle est consacrée au développement d’une série de modèles de champ toroïdal aux altitudes des satellites Swarm. Chacun de ces modèles représente le champ toroïdal moyen sur une sphère, à l'altitude d'un satellite Swarm, et à une heure universelle et une saison données. Ces modèles permettent d’étudier la climatologie de ce champ et des courants électriques poloïdaux associés. Ils posent les premières bases d’un modèle climatologique du champ toroïdal. ********************************** The geomagnetic field is produced by many sources. These include the electric currents generated by the convection of conductive liquid in the Earth's outer core, the magnetization of rocks in the lithosphere, the electric currents flowing in the ionosphere and the magnetosphere, and the currents induced in the Earth's mantle. The geomagnetic field is continuously measured in magnetic observatories and by magnetometers on board of low Earth orbit satellites. It can be modeled by representing each of its sources with an empirical mathematical model built with spherical harmonics. Model parameters are estimated by data inversion using magnetic data from observatories and satellites. However, these models assume that magnetic data are acquired in regions without any source, yet it is established that the F region of the ionosphere - the region in which the satellites orbit - hosts a complex electric current system. These currents are generally not taken into account by most existing models. In this thesis, we study the F-region electric current system together with the associated magnetic field. We use data from the magnetic observatories of the Intermagnet network and from the Swarm satellite constellation, together with several empirical potential field models. The work is divided in two parts. The first one corresponds to a study of the geomagnetic field residuals - i.e. the signal remaining in the magnetic data after substracting the predictions of the models -. This study enables to identify several signals in the residuals and to relate these signals to the field produced by electric currents flowing in the F-region ionosphere. The second part uses these residuals through two approaches. The first one makes use of a new method developed as part of this thesis which provides local estimates of the three components of the electric current density vector using the three Swarm satellites. In particular, the algorithm allows to rigorously propagate errors through the computation. This method has been applied to the day of February 15, 2014 at mid and low latitudes during geomagnetic quiet time. The second approach is a more global study. It is devoted to the development of a serie of toroidal field models at the altitudes of the Swarm satellites. Each of these models represents the mean toroidal field on a sphere, at the altitude of a Swarm satellite, and at a given universal time and season. These models allow to study the climatology of both toroidal field and associated poloidal electric currents. They constitute the first bases for a climatological model of the toroidal field.