Interprétation unifiée des écoulements associés à des cycles de condensation et d’évaporation dans les boucles coronales

Unified interpretation of flows associated with condensation and evaporation cycles in coronal loops

• Auteur / Autrice : Gabriel Pelouze
• Direction : Karine Bocchialini, Frédéric Auchère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 25/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Krafft
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Bocchialini, Catherine Krafft, Costis Gontikakis, Nicolas Labrosse, Patrick Antolin, Nicole R. Vilmer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Costis Gontikakis, Nicolas Labrosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Diagnostics de plasma

Soleil -- Couronne

Mots clés libres

Couronne solaire

Boucles coronales

Chauffage coronal

Diagnostics des plasmas

Simulations numériques

Analyse de données

Solar corona

Coronal loops

Coronal heating

Plasma diagnostics

Numerical simulations

Data analysis

Résumé

La couche la plus externe de l’atmosphère solaire, la couronne, est composée de plasma dont la température dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle de la surface.Expliquer comment la couronne est chauffée à des températures de l’ordre d’un million de degrés constitue un défi majeur de la physique solaire.Dans ce contexte, je m’intéresse au chauffage des boucles coronales (qui sont des structures composées de plasma confiné dans des tubes de champ magnétique) et plus particulièrement aux cycles de non-équilibre thermique (TNE).L’étude de ces cycles permet de caractériser le chauffage des boucles.Ces cycles se développent dans des boucles soumises à un chauffage fortement stratifié, localisé près de leurs pieds.Ils se traduisent notamment par une variation périodique de la température et de la densité du plasma dans la boucle.Ces variations engendrent des pulsations d’intensité de longue période, qui sont détectées depuis peu dans l’émission en extrême-ultraviolet (EUV) de certaines boucles coronales.Par ailleurs, des écoulements périodiques de plasma à températures coronales se produisent durant ces cycles.Dans certains cas, le plasma qui s’écoule peut refroidir de plusieurs ordres de grandeur et former de la pluie coronale périodique.Durant ma thèse, j’ai travaillé à la première détection de ces écoulements à haute et à basse température.En utilisant des séries temporelles de spectres EUV de l’instrument Hinode/EIS, j’ai mesuré la vitesse Doppler du plasma dans des boucles dans lesquelles on détecte des pulsations d’intensité.Cela m’a permis de détecter des écoulements de plasma à température coronale associé à certaines pulsations d’intensité.Par ailleurs, j’ai participé à la détection d’un événement de pluie coronale périodique (à température plus froide) dans des séries d’images de l’instrument SDO/AIA.Ces détections permettent de confirmer que les pulsations d’intensité de longue période sont bien le résultat de cycles de TNE, ainsi que d’apporter de nouvelles contraintes sur le chauffage des boucles coronales.Cela permet notamment de conclure que le chauffage des boucles coronales est localisé près de leurs pieds et que son temps de répétition est inférieur au temps de refroidissement du plasma.Afin de détecter les écoulements à haute température, j’ai dû corriger de nombreux effets instrumentaux de EIS.J’ai notamment développé une nouvelle méthode pour aligner les spectres avec des images de l’instrument AIA, qui permet de corriger l’angle de roulis et la variation aléatoire du pointage de EIS.En appliquant cette méthode à un grand nombre de spectres, j’ai réalisé la première mesure systématique de l’angle de roulis de l’instrument.Par la suite, j’ai réalisé des simulations numériques du cas de pluie coronale périodique.Dans ces simulations, j’ai calculé l’évolution du plasma dans la boucle pour différents paramètres de chauffage et différentes géométries du champ magnétique.Cela m’a permis d’identifier les paramètres de chauffage permettant de reproduire le comportement observé.Avec ces simulations, j’ai par ailleurs pu comprendre comment l’asymétrie de la boucle et du chauffage conditionnent la température minimale atteinte par les écoulements qui se forment lors des cycles de non-équilibre thermique.

The outermost layer of the solar atmosphere, the corona, is composed of plasma which is hotter than the surface by several orders of magnitude.One of the main challenges in solar physics is to explain how the corona is formed and heated to temperatures of a few million degrees.In this context, I focus on the heating of coronal loops (which are structures composed of plasma confined in magnetic field tubes), and more precisely on thermal non-equilibrium (TNE) cycles.Studying these cycles allows us to characterize the heating of coronal loops.These cycles occur in loops with a highly stratified heating, localized near their footpoints.Among other effects, they cause periodic variations of the temperature and density of the plasma in the loop.These variations result in long-period intensity pulsations, which have recently been detected in the extreme-ultraviolet (EUV) emission of some coronal loops.In addition, periodic flows of plasma at coronal temperatures occur during these cycles.In some cases, the flowing plasma can cool down by several orders of magnitude, and thus form periodic coronal rain.During my thesis, I worked on the first detection of these periodic plasma flows at coronal and lower temperatures.Using time series of spatially-resolved EUV spectra from the instrument Hinode/EIS, I measured the Doppler velocity of plasma in loops undergoing long-period intensity pulsations.This allowed me to detect flows of plasma at coronal temperatures associated with some maxima of the intensity pulsations.In addition, I took part in the detection of an event of periodic coronal rain (at cooler temperatures), using series of images from the instrument SDO/AIA.These detections confirm that the long-period intensity pulsations detected in coronal loops are indeed the result of TNE cycles, and allow better constrain the heating of the loops.From this, conclude that the heating of coronal loops is highly stratified, localized near their footpoints, with a repetition time shorter than the cooling time of the plasma.Detecting the flows of plasma at coronal temperatures required that I correct many EIS instrumental effects.To that aim, I developed a new method for coalinging EIS spectra with images from AIA.This method can correct the roll angle and the jitter (a random variation of the pointing) of EIS.By applying it to a large number of spectra, I carried out a comprehensive determination of the EIS roll angle.I also performed numerical simulations of the periodic coronal rain event.In these simulations, I computed the evolution of the plasma in the loop for different values of the heating parameters, as well as several magnetic field geometries.This allowed me to determine the heating parameters which are required to reproduce the observed behavior of this loop.By analyzing these simulations, I was also able to understand how the asymmetry of the loop and of the heating determine the minimum temperature of the plasma flows which form during thermal non-equilibrium cycles.