Turbulence multi-échelle dans le vent solaire : de la théorie aux observations
Auteur / Autrice : | Vincent David |
Direction : | Sébastien Galtier, Fouad Sahraoui |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 21/09/2023 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Ondes et Matière |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau ; 1975-....) |
référent : Faculté des sciences d'Orsay | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Sergio Chibbaro |
Examinateurs / Examinatrices : Sergey Nazarenko, Christopher Chen, Bérengère Dubrulle | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Sergey Nazarenko, Raffaele Marino |
Mots clés
Résumé
Le vent solaire est un plasma turbulent mesuré in situ par des sondes telles que Voyager/NASA, THEMIS/ESA, ou PSP/NASA. Les mesures révèlent des fluctuations du champ magnétique sur une large gamme de fréquences, avec un changement de pente autour de 1 Hz, indiquant une transition du comportement mono-fluide MHD du plasma vers un état où ions et électrons ont une dynamique distincte. Une seconde transition est observée vers 50 Hz, au-delà de laquelle le spectre magnétique se raidit davantage, marquant un changement de physique où les effets d’inertie des électrons deviennent importants. L’étude de cette turbulence est étroitement liée à la compréhension de l’origine du chauffage local, caractérisé par une décroissance lente de la température ionique en fonction de la distance héliosphérique. Cette décroissance est interprétée comme la signature d’un chauffage résultant du transfert d’énergie des grandes échelles vers les petites échelles par la turbulence. L’objectif de cette thèse est d’étudier la turbulence du vent solaire à des échelles allant de la MHD aux échelles inertielles électroniques. Dans un premier temps, nous utilisons la loi zéro de la turbulence pour mesurer la dissipation d’énergie aux échelles MHD. Cette loi qui stipule que la dissipation d’énergie par unité de masse tend vers une limite non nulle appelée dissipation anomale lorsque les viscosité / résistivité diminuent. Une forme locale de la loi exacte de Kolmogorov est utilisée dans les données THEMIS et PSP, pour montrer que le chauffage calculé avec la dissipation anomale peut être significativement plus élevé que le chauffage moyen déduit de la loi exacte de la MHD. De plus, l’utilisation de la dissipation anomale permet de prouver la loi zéro dans un modèle simplifié de la MHD. Son application aux données Voyager 2 révèle que le chauffage généré par les chocs présents aux abords de Jupiter est dominant comparé à celui provenant des fluctuations turbulentes. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux échelles sous-MHD (fréquences entre 1 et 50Hz). Les mesures in situ révèlent un comportement monofractal des fluctuations magnétiques, alors qu’aux échelles MHD un comportement (standard) multifractal est observé. Pour étudier cette différence, des simulations numériques directes 3D des équations de l’électron MHD réduite sont menées dans les régimes de turbulence d’ondes faible et forte. Ces simulations révèlent que seule la turbulence faible peut reproduire la monofractalité. Jointe à des travaux récents, ce résultat suggère qu’aux échelles électroniques le vent solaire est dans un régime de turbulence d’ondes d’Alfvén cinétique faible et sans collision. Enfin, une théorie de la turbulence d’ondes (faible) pour la MHD électronique inertielle en présence d’un fort champ magnétique externe est développée. Nous donnons les solutions exactes (spectre de Kolmogorov-Zakharov), prouvons que la cascade est directe et évaluons la constante de Kolmogorov. Ce régime devient important lorsque la masse des électrons est prise en compte. De manière remarquable, ces équations sont identiques (à une constante près) à celles décrivant la turbulence d’ondes inertielles dans les fluides non ionisés en rotation rapide. Ce lien souligne l’importance des investigations en laboratoire pour étudier la turbulence à ces échelles, actuellement difficilement accessibles aux satellites. Ces études permettent d’obtenir une vision globale du comportement turbulent du vent solaire tant d’un point de vue observationnel, que numérique ou théorique.