Accumulation et évolution des hélicités magnétiques relative, non potentielle et mêlée, lors des phénomènes actifs de l'atmosphère solaire

Accumulation and evolution of relative, non-potential and volume-threading magnetic helicities during active phenomena in the solar atmosphere

• Auteur / Autrice : Luis Linan
• Direction : Etienne Pariat, Guillaume Aulanier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Stehlé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Pariat, Guillaume Aulanier, Marianne Faurobert-Scholl, Dana Longcope, Miho Janvier, Aurélie Marchaudon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Faurobert-Scholl, Dana Longcope

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soleil -- Champ magnétique

Magnétohydrodynamique

Particules (physique nucléaire) -- Hélicité

Éruptions solaires

Mots clés libres

Soleil

Champ magnétique

Hélicité magnétique

Magnétohydrodynamique

Éruption solaire

Atmosphère solaire

Sun

Magnetic field

Magnetic helicity

Magnetohydrodynamics

Solar eruption

Solar atmosphere

Résumé

Les phénomènes spectaculaires que sont les éruptions solaires peuvent impacter les infrastructures humaines. L’évolution technologique de notre société nous rend de plus en plus sensibles à l’activité solaire, ainsi sa prévision devient un enjeu économique croissant. Ma thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de l’Agence Nationale de la Recherche, HeliSol, visant à établir des critères déterministes permettant des prédictions fiables des éruptions solaires. Je me suis intéressé durant ma thèse à une quantité prometteuse liée à la géométrie du champ magnétique: l’hélicité magnétique. Malgré quelques précédents résultats théoriques, analytiques et observationnels, la plaçant au cœur de divers processus liés à l’activité solaire, l’hélicité magnétique reste encore aujourd’hui mal comprise. Mon travail s’est porté en particulier sur l’étude des propriétés d’une décomposition de l’hélicité magnétique: l’hélicité magnétique non potentielle (liée au champ magnétique porteur de courants électriques) et l’hélicité mêlée (contenant le reste de l’information). Tout d’abord, je me suis concentré sur le lien entre l’éruptivité d’un système magnétique et ses hélicités. Via des simulations numériques magnétohydrodynamiques (MHD), j’ai montré que le ratio entre l’hélicité non potentielle et l’hélicité totale possède une valeur seuil au-delà de laquelle une instabilité à l’origine de l’éruption se déclenche systématiquement. Les données magnétiques, issues d’observations, m’ont permis de confirmer le ratio d’hélicité comme marqueur significatif de l’éruptivité de différentes régions actives. Ces analyses reposent sur la production de reconstructions 3D du champ magnétique coronale générées à partir des mesures observationnelles de la distribution 2D du champ magnétique au niveau de la « surface » du Soleil. Comme j’ai pu le démontrer néanmoins, le ratio ne peut être correctement déterminé si le champ magnétique reconstruit ne respecte pas la propriété solénoïdale.J’ai également utilisé des approches analytiques et numériques pour étudier les propriétés des hélicités qui composent le ratio susmentionné. J’ai ainsi proposé un formalisme théorique pour quantifier la non additivité de l’hélicité magnétique. J’ai aussi introduit pour la première fois une expression analytique pour la variation temporelle des hélicités non potentielle et mêlée. Cela m’a permis de montrer que, contrairement à l’hélicité totale, les hélicités non potentielle et mêlée ne sont pas des grandeurs conservées. Leurs évolutions sont dictées d’une part par les flux traversant les frontières, mais également par un transfert d’une forme d’hélicité à l’autre. J’ai de plus démontré, par application des simulations numériques, que ce transfert d’hélicité a un rôle majeur dans la dynamique des hélicités magnétiques durant une éruption solaire.En conclusion, le ratio d’hélicité magnétique mis en évidence pourrait participer au développement de nouveaux outils destinés à la prédiction des éruptions solaires. Plus généralement, mes travaux permettent de mieux appréhender l’évolution des configurations magnétiques responsables des événements actifs de la couronne solaire. Ces recherches peuvent en outre être la base de futures études théoriques sur le lien entre hélicités magnétiques et déclenchement d’éruptions.

The spectacular phenomena that are solar eruptions can impact human infrastructures. As we become more and more sensitive to solar activity because of the technological evolution of our society, solar forecasting is a growing economic stake. My thesis is part of the HeliSol research project of the Agence Nationale de la Rercherche. The project aims to establish deterministic criteria allowing reliable predictions of solar eruptions. My thesis focuses on a promising quantity related to the geometry of the magnetic field: magnetic helicity. Despite some previous theoretical, analytical, and observational results, placing it at the core of various processes related to solar activity, magnetic helicity still remains largely unfathomed. More precisely, my work is focused on the study of the properties of a decomposition of magnetic helicity: the non-potential magnetic helicity (linked to the magnetic field carrying electric currents) and the volume-threading magnetic helicity (containing the rest of the information).First, I focused on the link between the eruptivity of a magnetic system and its helicities. Using magnetohydrodynamic (MHD) numerical simulations, I showed that the ratio between non-potential helicity and total helicity has a threshold beyond which an eruption systematically occurrs. Magnetic data obtained from observations allowed me to confirm that the helicity ratio is a significant marker of the eruptivity of different active regions. These analyses are based on the production of 3D reconstructions of the coronal magnetic field generated from observational measurements of the 2D distribution of the magnetic field at the level of the Sun’s « surface ». Nevertheless, as I could demonstrate, the ratio cannot be correctly determined when the reconstructed magnetic field does not respect the solenoidal property.I used analytical and numerical approaches to study the properties of the helicities that constitutes the above-mentioned ratio. I proposed a theoretical formalism to quantify the non-additivity of magnetic helicity. I also derived for the first time an analytical expression for the temporal variation of non-potential and volume-threading helicities. This allowed me to show that, unlike total helicity, non-potential and volume-threading helicities are not conserved. Their evolution is dictated not only by fluxes across boundaries, but also by a transfer from one form of helicity to another. With the help of numerical simulations, I also demonstrated that this helicity transfer has a major role in the dynamics of magnetic helicities during solar eruptions.In conclusion, the highlighted magnetic helicity ratio could be used to develop new prediction tools for solar eruptions. More generally, my work provides a better understanding of the evolution of the magnetic configurations responsible for the active events of the solar corona. These researches could also serve as the basis for future theoretical studies on the link between magnetic helicities and the trigger of solar eruptions.