Turbulence et structures dans le vent solaire

par Luca Marradi

Thèse de doctorat en Physique des plasmasPhysique des plasmas

Sous la direction de Thierry Passot et de Francesco Califano.


  • Résumé

    Two specific aspects of solar wind turbulence at scales comparable with the ion Larmor radius were considered : anisotropic plasma heating, and the electromagnetic spectral properties of the turbulent cascade in the direction perpendicular to the ambient magnetic field. These problems were studied by means of one-dimensional numerical simulations with two different methods : a FLR-Landau fluid (FLR-LF) model that extends anisotropic magnetohydrodynamics by retaining low-frequency kinetic effects such as Landau damping and finite Larmor radius corrections, and a hybrid Vlasov code in 1d-3V phase space dimensions (HV). Preliminary investigations were performed in the context of compressible Hall-MHD that demonstrated a possible Alfvén wave cascade in the parallel direction at scales smaller than the ion inertial length. Simulations of the FLR-LF model in quasi-perpendicular directions with a random forcing aiming at mimicking the tail of the Alfvén cascade show a non-resonant ion perpendicular heating and the development of the mirror instability which constraints the system to remain near instability threshold. The FLR-LF model has been extended to include the effect of a weak amount of collisions described by a BGK operator. Simulations including collisions show a very good agreement with satellite data. We also performed simulations with the HV code where a forcing on the electric fields code was introduced. These simulations showed the generation of a power-law spectrum with slope -5/3 at scales larger than the ion skin depth, and slope -7/3 in the short wavelengths range, together with the formation of “perpendicular shocks” and magnetic holes.

  • Titre traduit

    Turbulence and structures in the solar wind


  • Résumé

    Deux aspects de la turbulence dans le vent solaire à des échelles de l’ordre du rayon de Larmor des ions ont été abordés : le chauffage anisotrope du plasma et les propriétés spectrales de la cascade turbulente dans la direction perpendiculaire au champ magnétique ambiant. Ces problèmes ont été étudiés au moyen de simulations numériques unidimensionnelles utilisant soit un modèle dit « FLR-Landau fluid » (FLR-LF) qui étend la magnétohydrodynamique anisotrope en retenant les effets cinétiques basse fréquence (effet Landau et corrections de rayon de Larmor fini) soit un code Vlasov hybride 1D-3V dans l’espace des phases (HV). Des études préliminaires menées dans le contexte de la MHD-Hall compressible, ont démontré qu’une cascade d’ondes d’Alfvén est possible dans la direction parallèle, à des échelles plus petites que la longueur inertielle des ions. Des simulations du modèle FLR-LF dans une direction quasi-perpendiculaire avec un forçage aléatoire modélisant la cascade Alfvénique ont mis en évidence un chauffage perpendiculaire non-résonnant et le développement de l’instabilité miroir qui contraint le système à rester au voisinage du seuil. Les simulations de ce modèle, incluant l’effet de faibles collisions (décrites par un opérateur BGK) montrent un très bon accord avec les données des satellites. La simulation HV, avec un forçage sur le champ électrique a permis de révéler la formation d’un spectre en loi de puissance -5/3 aux échelles plus grandes que la longueur inertielle des ions et en -7/3 aux échelles plus petites, ainsi que la formation de chocs perpendiculaires et de trous magnétiques.

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  • Détails : 1 vol. (VIII-163 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 155-163. Résumés en français, en anglais et en italien

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