Turbulence multi-échelles compressible dans les plasmas astrophysiques : une approche théorique, numérique et observationnelle

Multi-scale compressible turbulence in astrophysical plasmas viewed through theoretical, numerical and observational methods

• Auteur / Autrice : Renaud Ferrand
• Direction : Fouad Sahraoui, Sébastien Galtier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des plasmas (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Abergel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : William Matthaeus, Luca Sorriso-Valvo, Aurélie Marchaudon, Patrick Hennebelle, Robert Wicks
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : William Matthaeus, Luca Sorriso-Valvo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétosphère

Vents solaires

Simulation par ordinateur

Analyse vectorielle

Plasmas cosmiques

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Mots clés libres

Turbulence

Plasmas spatiaux

Lois exactes

Simulations

Observations

Turbulence

Space plasmas

Exact laws

Simulations

Observations

Résumé

Le vent solaire est un plasma turbulent dont la physique est largement étudiée depuis de nombreuses années grâce à des modèles théoriques, des simulations et des mesures in situ par satellite. Identifier les mécanismes de dissipation d'énergie turbulente à l’œuvre dans le vent solaire est une nécessité pour mieux comprendre la physique du vent dans son ensemble.Dans cette thèse nous dérivons de nouvelles lois exactes pour la turbulence (in)compressible en MHD Hall, des équations permettant le calcul du taux de cascade d'énergie turbulente. Nous développons un programme à même de calculer ces lois sur des données de simulation 3D, que nous appliquons à un ensemble de simulations numériques directes effectuées pour des modèles de plasmas divers. D'une part, ce travail permet de confirmer l'équivalence entre les différentes lois exactes existant pour un modèle donné, et de mieux comprendre leur fonctionnement intrinsèque. D'autre part, ces simulations permettent d'aboutir à d'importants résultats: elles montrent que la représentation fluide d'un plasma peut rendre compte de la dissipation d'énergie par des mécanismes cinétiques, et une étude de simulations fortement supersoniques précise le role que la turbulence joue dans la formation de filaments interstellaires.À ces études séparées vient enfin s'ajouter l'analyse de données satellites mesurées par MMS dans la magnétogaine. L'utilisation des lois exactes compressibles révèle un comportement anormal de la méthode utilisée pour calculer les dérivées 3D des champs de vecteurs dans la formation MMS. Une étude plus poussée, menée sur la base de données réelles et de simulations (via l'utilisation de satellites virtuels), révèlent que cette méthode induit parfois d'importantes erreurs dans le calcul des lois exactes. Ces révélations pourraient aider à mieux préparer de futures missions spatiales multi-points et multi-echelles à destination du vent solaire.

The Solar Wind is a turbulent plasma whose internal physics has been extensively studied for years through theoretical models, plasma simulations and in situ satellite observations. Understanding the mechanisms hidden behind turbulence energy dissipation is a key step in unraveling the mysteries of the solar wind.In this thesis we first derive new Hall MHD turbulence exact laws, theoretical tools that allow for the calculation of the turbulence energy cascade rate. We develop a program able to compute these laws on 3D simulation datasets, and apply it to a variety of direct numerical simulations of different plasma models. On the one hand, these studies allow us to prove the consistency between the different exact laws existing for a same model and to better understand their detailed behavior. On the other hand, they yield important physical results: the study of Landau-fluid datasets allows us to partly reconcile the fluid and kinetic description of plasmas, justifying the analysis of solar wind energy dissipation through fluid exact laws, and the study of strongly supersonic datasets hints at turbulence playing a key role on the formation of star-forming interstellar filaments.These individual studies are then complemented by the analysis of in situ data measured by MMS in the magnetosheath. The application of the compressible exact laws to these data unveils the odd behavior of the methods used to compute 3D fields derivatives using MMS four satellites. An in-depth investigation of this method, both using MMS data and simulation data through the use of a virtual spacecraft, reveal important errors induced by this method in the calculation of exact laws. These new insights could help preparing future multipoint and multi-scale space missions targeting solar wind turbulence.