Origine et évolution des éjections de masse coronales dans l'héliosphère

par Florian Regnault

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Frédéric Auchere, Miho Janvier et de Antoine Strugarek.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec IAS - Institut d'Astrophysique Spatiale (laboratoire) , Physique Solaire et Stellaire (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les éjections coronales de masse (ci-après ECM) sont des manifestations spectaculaires de la dynamique atmosphérique de notre étoile, le Soleil. Ces “tempêtes solaires”, comme on peut également les appeler, sont issues de phénomènes très rapides de dissipation d'énergie magnétique dans la couronne, partie supérieure de l'atmosphère solaire. Une fois lancées dans le milieu interplanétaire, ces structures magnétisées transportent du plasma solaire et peuvent, lors de leur propagation, impacter les environnements spatiaux des planètes de notre système solaire. Ces impacts ne sont pas sans conséquence sur nos sociétés humaines: sur Terre, les ECM peuvent être responsables de perturbations sur les réseaux de télécommunications satellitaires et radio, les réseaux électriques et enfin, peuvent directement impacter les missions spatiales habitées. Ainsi, comprendre la dynamique des ECM, depuis les mécanismes d'éjection jusqu'à leur propagation et leur caractéristique dans le milieu interplanétaire, est fondamental pour poser les bases de la météorologie spatiale. Au cours de la thèse, l'étudiant/e sera amené/e à développer un modèle basé sur le code numérique PLUTO (http://plutocode.ph.unito.it), récemment adapté à l'étude du vent solaire et des interactions soleil/planètes, afin de modéliser la propagation des ECM dans le milieu interplanétaire. Dans un premier temps, l'étudiant/e travaillera sur une version 2D du code afin d'étudier les paramètres à l'origine de la forme des chocs créés par la propagation des ECM dans l'héliosphère. Cette étude permettra d'une part de s'approprier les outils numériques nécessaires à la modélisation des ECM (en particulier le raffinement de maillage adaptatif, essentiel à la problématique des ECM), et d'autre part de se familiariser à l'analyse statistique des données in situ obtenues par différentes missions spatiales. Dans un second temps, la version 3D du code PLUTO sera exploitée afin de simuler des trajectoires de ECM du Soleil à la Terre. Dans cette partie, l'étudiant/e s'intéressera à la caractérisation, d'une part des conditions d'éruption, et d'autre part, des conditions du vent solaire, influençant la morphologie, les profils d'évolution du champ magnétique et du plasma à l'intérieur des ECM, ainsi que leur dynamique dans l'héliosphère. Les résultats de ces développements seront d'une part comparés aux résultats d'analyse statistique des données in situ, et d'autre part comparés au cas par cas aux tempêtes solaires détectées en conjonction par différentes sondes spatiales. On analysera tout particulièrement une combinaison des données des missions suivantes: Messenger, Venus Express, ACE et Maven, ainsi que de la nouvelle mission Parker Solar Probe qui sera lancée en Juillet 2018. Ces résultats serviront à la préparation des observations coordonnées entre les instruments in situ et instruments de télédétection de la mission de l'Agence Spatiale Européenne Solar Orbiter, dont le lancement est prévu en Février 2020. En alliant l'utilisation de multiples données observationnelles sur la structure et la propagation des ECMs au calcul haute performance sur les supercalculateurs nationaux et européens, ce projet sera pionnier pour la météorologie spatiale en France et en Europe. L'étudiant/e, lors de sa thèse, sera encadrée par Miho Janvier et Frédéric Auchère à l'IAS, en collaboration étroite avec Antoine Strugarek au CEA-Irfu. Le projet permettra à celle/celui-ci de monter des collaborations nationales et internationales à travers celles déjà existantes. Lors de cette thèse, l'étudiant/e développera ses compétences en calcul informatique à haute performance (calculs parallèles, maillage adaptatif), ses connaissances en langage informatique (en particulier C, python) et en environnement informatique (utilisation de supercalculateurs, création de pipelines pour accéder aux données de plusieurs missions spatiales). L'étudiant/e bénéficiera également d'une formation d'analyse de données pour l'exploitation scientifique de missions spatiales variées: compréhension des phénomènes transitoires du Soleil grâce à la recherche d'évènements vus par des instruments de télédétection, création de routines pour l'analyse de jeux de données de sondes planétaires et interplanétaires. Enfin, le contexte de la thèse étant fortement lié aux missions Parker Solar Probe et Solar Orbiter, l'étudiant/e sera sensibilisé aux enjeux ainsi qu'aux développements de missions spatiales dans un contexte international.

  • Titre traduit

    Origin and evolution of coronal mass ejections in the heliosphere


  • Résumé

    Coronal mass ejections (CME) are spectacular events that are caused by the dynamics of the sun's atmosphere. These “solar storms”, as they are sometimes called, result from the dissipation of magnetic energy in the corona, the outer part of the solar atmosphere. When these magnetic structures propagate in the interplanetary medium, they can affect planetary environments in the solar system. CMEs have important consequences on our human society : on Earth, they can disrupt satellite and radio telecommunications, electrical network while also having a big impact on manned missions. Thus, understanding CME dynamics, from the ejection mechanisms to their propagation and their characteristics in the interplanetary medium, is fundamental to lay the foundations of space weather. During the thesis, the student will develop a model based on the numerical code PLUTO (http://plutocode.ph.unito.it), recently adapted to the study of the solar wind and star-planet interactions. These developments will consist in simulating the propagation of CMEs in the interplanetary medium. First, the student will work on a 2D version of the code so as to find the main parameters responsible for the shape of the shock created by the CME propagation. This study will allow the student to get used to essentials tools (in particular adaptative mesh refinement techniques) as well as to statistical analysis of in situ data coming from different space mission. Then, the student will use the 3D version of PLUTO in order to model CME trajectories from the Sun to the Earth. During this time, the student will investigate how the conditions of the ejection as well as the characteristics of the solar wind influence the structure of the magnetic field and the plasma inside the CME, as well as their dynamics in the heliosphere. These statistical results will be compared with in situ measurements of space missions and with observations of solar storms made with different instruments. In particular, the student will use data from the following missions : Messenger, Venus Express, ACE, Maven and Parker Solar Probe that has been launched in August 2018. These results will allow coordinated observations between in situ and remote-sensing instruments using the Solar Orbiter mission from the European Space Agency, to be launched in 2020. Using observational data as well as simulated data for the propagation of CME, this project will be a pioneer for space weather in France and in Europe. During the thesis, the student will be supervised by Miho Janvier et Frédéric Auchère at IAS with a strong collaboration with Antoine Strugarek at CEA-Irfu. This project allows the student to create national and international collaborations. The student will develop his skills in high performance computer calculation (parallel computing, adaptative mesh), his knowledge in computer language (in particular C, python) and in computing environment (use of supercomputers, creating pipelines in order to get data from different space missions). Finally, as the context of the thesis is linked with the Parker Solar Probe and Solar Orbiter missions, the student will have access to an environment that fosters collaborations for future international space missions.