Les particules énergétiques solaires : études observationnelles et simulations magnétohydrdynamiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Solar energetic particles : observational studies and magnetohydrodynamic simulations

Les particules énergétiques solaires : études observationnelles et simulations magnétohydrdynamiques

Résumé

Solar activity manifests itself through highly dynamical events, such as flares and coronal mass ejections, which result in energy release by magnetic reconnection. This PhD focuses on two manifestations of this energy release: solar energetic particles and dynamics of magnetic reconnection. The first part of my work consists in the detailed temporal analyzis of several electromagnetic signatures, produced by energetic particles in the solar atmosphere, with respect to the energetic particle flux at Earth. Using multi-instrument observations, I highlighted that particles can be accelerated by the flare to relativistic energies during a specific episode of acceleration in the impulsive phase. This showed that particles traveled a longer path length than the theoretical length generally assumed. Using in-situ measurements of magnetic field and plasma, I identified the interplanetary magnetic field for 10 particle events, and performing a velocity dispersion analyzis I obtained the interplanetary length traveled by particles. Thanks to the comparison of this two independant studies, I showed that the magnetic structure of the interplanetary medium play a crucial role in the association of the particle flux at Earth and the acceleration signatures of particles at the Sun. The second part of my work focuses on the dynamics of magnetic reconnection. Observationally, the best evidence for magnetic reconnection is the appearance of brigthenings at the solar surface. Performing the first data-driven 3 dimensional magneto-hydrodynamic (MHD) simulation of an observed event, I discovered that the evolution of brightenings can be explained by the succession of two different reconnection regimes, induced by a new topological association where null-point separatrices are embbeded in quasi-separatrix layers. This new topological association induces a change of field line connectivity, but also a continuous reconnection process, leading to an apparent slipping motion of reconnected field lines. From a MHD simulation of a such magnetic configuration association, involving open field lines, I showed that flare-accelerated particles can be injected in an extended coronal magnetic flux tube through a sweeping motion of energetic particle beams, injected succesively along slipping field lines.
Durant ma thèse je me suis intéressée à deux manifestations spécifiques de la libération d'énergie lors des éruptions solaires: les particules énergétiques et la dynamique de la reconnexion magnétique. Grâce à une étude détaillée des séquences temporelles des différentes signatures électromagnétiques, produites par les particules énergétiques dans la couronne (RHESSI, CORONAS-F, NoRP), et du flux de particules relativistes à la Terre (Moniteurs à neutrons), j'ai pu montré que les particules impactant la Terre étaient accélérées durant un épisode spécifique d'accélération lors de la phase impulsive de l'éruption. Cette étude multi-longueurs d'ondes suggère également que le mécanisme d'accélération des particules injectées plus tard, n'est pas nécessairement identique. Le diagnostic du rayonnement radio (WIND, RSTN) m'a permis d'établir que la longueur interplanétaire parcourue par les particules de la première injection, ~ 1.5 UA, est plus grande que celle généralement supposée pour le transport des particules solaires à la Terre (~1.2 UA). J'ai alors développé une nouvelle méthode permettant d'identifier la structure magnétique interplanétaire dans lesquelles les particules se propagent jusqu'à la Terre. Les analyses des mesures in-situ du champ magnétique (ACE/MAG) et des paramètres plasma (ACE/SWEPAM) du milieu interplanétaire, m'ont permis d'identifier les structures magnétiques du milieu interplanétaire lors des événements à particules relativistes. La comparaison de ces structures avec la longueur parcourue par les particules et obtenue par une analyse de dispersion des vitesses des flux de particules à la Terre (SoHO/ERNE et moniteurs à Neutron) montre clairement que la distance parcourue dépend de la structure magnétique présente à la Terre, mais également que la connexion de la région active à la Terre peut être assurée par des structures magnétiques transitoires différentes de celle de la spirale de Parker comme généralement admis. Le second volet de ma thèse porte sur l'étude de la dynamique de la reconnexion magnétique. L'implémentation du code développé par G. Aulanier, m'a permis de réaliser la première simulation numérique tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'un événement solaire observé, contrainte par les mesures du champ magnétique (SoHO/MDI). Par cette étude, j'ai montré que la dynamique des brillances, observées à la surface solaire et généralement attribuée à l'impact de particules énergétiques, s'expliquait par la succession de différents régimes de reconnexion magnétique. J'ai montré que cette dynamique de la reconnexion magnétique était due à une topologie magnétique hybride où les séparatrices associées à un point nul était incluses dans des quasi-séparatrices. La reconnexion à travers les séparatrices se traduit par un saut de connectivité, tandis que la reconnexion à travers les quasi-séparatrices induit un changement continu de la connectivité des lignes de champ magnétique. J'ai ensuite réalisé une seconde simulation tridimensionnelle magnétohydrodynamique d'une configuration magnétique en point nul asymétrique, mais cette fois impliquant des lignes de champ ouvert lors de la reconnexion. Après avoir confirmé la présence de quasi-séparatrices entourant les sépratrices, ce travail m'a permis de d'établir un nouveau modèle d'injection de particules dans l'héliosphère, permettant d'expliquer les mesures interplanétaires de particules dans une large gamme de longitude, qui sont généralement expliquer par la diffusion des particules dans la couronne.
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Dates et versions

tel-00551523 , version 1 (04-01-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00551523 , version 1

Citer

Sophie Masson. Les particules énergétiques solaires : études observationnelles et simulations magnétohydrdynamiques. Astrophysique [astro-ph]. Observatoire de Paris, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00551523⟩
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