Structures cohérentes de la MHD aux échelles sub-ioniques dans le vent solaire turbulent

Coherent structures from MHD to sub-ion scales in turbulent solar wind

• Auteur / Autrice : Alexander Vinogradov
• Direction : Olga Alexandrova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Rezeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Passot, Pierre Lesaffre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Velli, Annick Pouquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Vents solaires

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Vent solaire

Physique des plasmas

Turbulence

Solar wind

Plasma physics

Turbulence

Résumé

La turbulence est un processus non linéaire de transfert d'énergie à plusieurs échelles dans un fluide. Le vent solaire est un exemple de plasma turbulent que l'on peut étudier grâce à des mesures effectuées in situ par des engins spatiaux. Les fluctuations du vent solaire sont très irrégulières et chaotiques. Des structures cohérentes de grande amplitude, localisées dans l'espace, sont présentes au-dessus d'un fond de fluctuations incohérentes. Dans cette thèse, nous apportons de nouvelles connaissances sur les propriétés des structures cohérentes dans le vent solaire à une distance proche du Soleil (0.17 au). Nous confirmons, avec les données de la sonde Parker Solar Probe (PSP), que des structures cohérentes sont présentes non seulement aux échelles MHD et ioniques, mais aussi aux échelles sub-ioniques. Nous avons pu identifier ces structures grâce à la transformée en ondelettes de Morlet. Pour la première fois, nous appliquons une analyse multi-échelle dans l'espace physique depuis les échelles MHD jusqu'aux échelles sub-ioniques. En utilisant les profils temporels du plasma et du champ magnétique, nous analysons plusieurs événements en détail. L'amplitude des structures cohérentes aux échelles MHD est élevée, comparable en magnitude au champ magnétique moyen local. Nous montrons des exemples de structures cohérentes MHD, telles que des nappes de courant et des vortex d'Alfvén. Certaines structures cohérentes MHD sont situées à l'intérieur des switchbacks ou à leurs frontières. Les structures MHD contiennent un certain nombre de sous-structures aux échelles ioniques et sub-ioniques. Ces structures ont un profil de champ magnétique typique d’un vortex d'Alfvén incompressible (à l'échelles cinétique des ions) et d’un vortex compressible (aux échelles sub-ioniques). Nous avons également étudié la fragmentation des structures cohérentes, montrant que les événements intermittents isolés aux petites échelles sont plus nombreux, tandis que le facteur de remplissage diminue de 12 % aux échelles MHD à 7 % aux échelles ioniques et 6 % aux échelles sub-ioniques. Un autre point important de cette thèse est une contribution à notre compréhension des vortex d'Alfvén. Nous avons affiné la dérivation d'un modèle de vortex d'Alfvén en fournissant une discussion détaillée des hypothèses. Nous généralisons également le modèle pour décrire les vortex d'Alfvén multipolaires. Enfin, nous expliquons comment les vortex multipolaires, décrits par des modes d'ordre différent, peuvent être superposés. Cela permet d'obtenir des solutions plus générales pour les vortex d'Alfvén que celles obtenues précédemment. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de classification des structures cohérentes dans le vent solaire. Cette méthode implique la comparaison statistique des structures observées avec les attentes des modèles. Les résultats obtenus avec les données PSP sont principalement cohérents avec le croisement par PSP du modèle de vortex d'Alfvén. Seule une petite fraction des structures correspond à des nappes de courant et à des trous magnétiques, contrairement aux résultats précédents obtenus avec une classification visuelle. Les résultats présentés dans cette thèse ouvrent une nouvelle fenêtre d'analyse de la turbulence en montrant l'importance des vortex d'Alfvén de la MHD jusqu'aux échelles du sub-ioniques. Il sera important d'étendre cette étude à différents types de vents et à différentes distances solaires, en particulier pour contraindre la façon dont ces vortex sont créés et comment ils évoluent dans le vent solaire. L'extension de l'analyse à des fréquences plus élevées fournira également l'information sur leur dissipation aux échelles électroniques, et donc sur leur contribution au chauffage du vent solaire.

Turbulence is a nonlinear process of cross-scale energy transfer in a fluid. The solar wind is an example of a turbulent plasma available for investigation owing to in-situ spacecraft measurements. Solar wind fluctuations are highly irregular and chaotic. Above an incoherent background fluctuations high-amplitude coherent structures, localized in space, are present. In this thesis we brought a piece of a new knowledge about the properties of coherent structures in the solar wind at close distance from the Sun (0.17 au). We confirm, with Parker Solar Probe (PSP) data, that coherent structures are present not only at MHD and ion scales, but also at sub-ion scales. We could identify these structures thanks to Morlet wavelet transform. For the first time, we apply a multi-scale analysis in physical space from MHD down to sub-ion scales. Using plasma and magnetic field time profiles, we analyze several events in details. The amplitude of MHD scale coherent structures is high, comparable in magnitude with the local mean magnetic field. We show examples of MHD coherent structures with different geometries, such as current sheets and Alfvén vortices. Some of MHD coherent structures are located within switchbacks or their boundaries. MHD structures contain a number of embedded substructures at ion and sub-ion scales. The latter have smaller amplitudes and are not seen in the raw data, but can be observed after filtration in frequencies and zooming in time. These structures have a typical magnetic field profiles representing an incompressible Alfvén vortex at ion scales and compressible vortex at sub-ion scales. We also study the fragmentation of coherent structures, showing that the number of isolated intermittent events is larger at smaller scales, while the filling factor decrease from 12% at MHD scales to 7% at ion and 6% sub-ion scales. Another important point of this thesis is a contribution to our understanding of Alfvén vortices. We refined the derivation of an Alfvén vortex model by providing detailed discussion of the underlying assumptions. We also generalize the model to describe multipole Alfvén vortices. Finally, we explicit how the modes described multipole vortices of different order could be combined, or not. This provides more general Alfvén vortex solutions than derived before. Finally, we derive a new method of classification of coherent structures in the solar wind. This method involves the statistical comparison of the observed structures with expectations of models (using the amplitude anisotropy of magnetic fluctuations). The results with PSP data are dominantly consistent with the crossings of the Alfvén vortex model. Only a small fraction of the structures corresponds to current sheets and magnetic holes, in contrast with the previous results of visual classification. The results presented in this thesis open a new window of turbulence analysis by showing the importance of Alfvén vortices from MHD down to sub-ion scales. It will be worth to extend this study to different types of winds and to different solar distances, in particular to constrain how these vortices are created and how they evolve in the solar wind. Extending the analysis to higher frequencies will also provide information on their dissipation at electronic scales, so their contribution to solar wind heating.