Statistics of Langmuir waves associated with type III solar radio bursts / Sonja Vidojević.

Abstract

Interplanetary electron beams, produced by solar flares, are unstable in the solar wind and generate Langmuir waves at the local plasma frequency, fp. These waves are then converted into the so-called type III radio bursts which are freely propagating electromagnetic emissions at fp or its harmonic. The type IIIs are therefore observed as drifting emissions from high to low frequencies, in the kilometric wavelengths range. Since the first theoretical explanation by Ginzburg and Zhelezniakov (1958a), several refined models have attempted to describe in details the physical processes at the origin of type III bursts. The mechanisms of “Bump-on-tail” instabilities, Langmuir waves generations, conversion of these Langmuir waves into radio emissions throughout nonlinear wave-wave interactions etc, have been studied in detail. Of particular interest from the observational point of view are the so called in situ type III bursts for which the electron beam, at the origin of the emission and traveling along open interplanetary magnetic field lines, is observed directly in situ by a spacecraft, together with the local Langmuir waves and the resulting radio emissions. Until now only a few of these in situ type IIIs have been reported in the literature. The first research study performed in this thesis was to examine the first 16 years of radio, waves and particles data recorded by the Wind spacecraft in the Solar Wind and to look for in situ type IIIs. Applying rigorous and careful criteria, this examination has yielded to a data set of 36 high-quality events. With such a numerous data set, which is statistically representative of the studied phenomenon, it is now possible to constrain observationally and with a better confidence the type III generation models. After having built our statistical dataset, we have studied, for each of the events, the precise shapes of the Langmuir wave power distributions, observed in the spectral domain. We have fitted these observed distributions by a Pearson’s system of probability distributions and have shown that the probability distributions of the logarithm of the Langmuir waves power spectral density belong to three “main” types of Pearson’s probability distributions: type I, type IV and type VI. In addition we have modeled the effects of the instrumental integration time of the Wind radio receivers on the observed Langmuir wave power distributions. By combining our observations with our models we have shown that it was not possible to conclude definitively, that the distribution of the Langmuir waves energy in the real temporal domain is lognormal, as it is predicted in some theories as the Stochastic Growth Theory by Robinson (1992). In the last part of the thesis, we have shown how our high-quality data set of 36 in situ type III events can be used for further studies that could allow to constrain the theoretical models even better. For instance we have investigated the correlation between the Langmuir waves power and the energy of impulsive electron or with the power of the radio emissions themselves

Les faisceaux d’électrons interplanétaires, produits par les éruptions solaires, sont instables dans le vent solaire et génèrent des ondes de Langmuir à la fréquence plasma locale, fp. Ces ondes sont ensuite converties en ce qu’on appelle les sursauts radio de type III qui sont des émissions électromagnétiques se propageant librement à fp ou leurs harmoniques. Les type IIIs sont donc observés comme des émissions dérivant des hautes aux basses fréquences, dans la gamme de longueurs d’onde kilométrique. Depuis la première explication théorique par Ginzburg and Zhelezniakov (1958a), plusieurs modèles détaillés ont été proposés pour décrire en détail les processus physiques à l’origine des sursauts de type III. Les mécanismes d’instabilités “Bump-on-tail”, les générations d’ondes de Langmuir, la conversion de ces ondes de Langmuir en émissions radio à travers les interactions non linéaires onde-onde etc, ont été étudiées en détail. Les type III in situ, pour lesquels le faisceau d’électron, à l’origine de l’émission et qui voyage le long des lignes de champ magnétique interplanétaire ouvertes, sont observées directement in situ par un spacecraft, avec les ondes de Langmuir locales et les émissions de radio qui en résultent, sont particulièrement intéressants. Jusqu’à présent, seuls quelques-uns de ces type III in situ ont été rapportés dans la littérature. La première étude réalisée dans le cadre de cette thèse a été d’examiner les 16 premières années de données ondes et particules enregistrées par le satellite Wind dans le vent solaire et de chercher les type III in situ. L’application de critères rigoureux pendant cet examen a fournit un ensemble, de données de 36 événements de garnde qualité. Avec un tel ensemble, statistiquement représentatif du phénomène étudié, il est désormais possible de mieux contraindre les modèles de génération de type III. Après avoir construit notre base de données statistiques, nous avons étudié, pour chacun de ces événements, les formes précises des distributions de puissance des ondes Langmuir, observées dans le domaine spectral. Nous avons modélisé ces distributions avec un système de distributions de probabilités de type Pearson. Nous avons montré que les distributions de probabilité du logarithme de la densité de puissance spectrale des ondes de Langmuir appartiennent à trois types ”principaux” de distributions de Pearson : type I, type IV et type VI. En outre, nous avons simulé les effets du d’intégration et de la fonction de transfert instrumentale des récepteurs radio de Wind sur les distributions de puissance des ondes de Langmuir observées. En combinant nos observations avec nos simulations, nous avons montré qu’il n’était pas possible de conclure de façon définitive, que la distribution de l’énergie des ondes de Langmuir dans le domaine temporel réel est log-normale, comme prévu par certaines théories de type “croissance stochastique” (Robinson, 1992). Dans la dernière partie de la thèse, nous avons montré comment notre base de données constituée par les 36 événements de type III in situ peut être utilisée pour d’autres études permettant d’encore mieux contraindre les modèles théoriques. Par exemple, nous avons étudié la corrélation entre la puissance des ondes de Langmuir et l’énergie des électrons impulsifs ou bien encore la puissance des émissions de radio elles-mêmes.