Turbulence et chauffage du vent solaire aux échelles inertielles

par Vincent David

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Sébastien Galtier.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Le vent solaire est un plasma hautement turbulent que l'on peut mesurer in situ à l'aide de sondes telles que Cluster/ESA, MMS/NASA, Parker Solar Probe (PSP)/NASA lancée en août 2019 ou Solar Orbiter/ESA dont le lancement est prévu en février 2020. Les mesures montrent, par exemple, des fluctuations du champ magnétique sur une large gamme de fréquences (plus de 8 décades) avec un spectre magnétique qui change de pente autour de 1Hz (à une unité astronomique). Cette propriété est interprétée comme la transition entre un comportement mono-fluide du plasma de type MHD vers un état où les ions et les électrons ont une dynamique distincte. Une seconde transition est mesurée autour de 50Hz (toujours à 1 UA) avec un spectre magnétique qui se raidit davantage. La physique change de nouveau à cette échelle à partir de laquelle les effets d'inertie ne sont plus négligeables. Ces propriétés spectrales peuvent évoluer avec la distance héliosphérique. En particulier, la mission PSP permet depuis peu d'étudier le plasma du vent solaire dans le plan équatorial à des distances encore jamais atteintes (aussi près que 10 rayons solaires). La mission Solar Orbiter quant à elle permettra d'approcher le Soleil (jusqu'à environ 0.3 UA) à partir d'orbites polaires. L'étude de la turbulence du vent solaire est par ailleurs intimement liée à celle de l'origine de son chauffage local qui se caractérise par une décroissance lente (c'est-à-dire plus lente qu'une décroissance adiabatique) de la température ionique en fonction de la distance héliosphérique. Cet écart est interprété comme la signature d'un chauffage local dont l'origine pourrait être la turbulence qui a pour propriété de transférer efficacement l'énergie des grandes échelles (basses fréquences) vers les petites échelles (hautes fréquences). La finalité de ce transfert est le chauffage du plasma. L'objectif de cette thèse est d'étudier la turbulence du vent solaire aux échelles inertielles (échelles plus petites que la longueur inertielle des électrons). Dans un premier temps, on abordera le problème via une étude analytique de turbulence d'ondes dans l'espace spectral afin d'en déduire les principales propriétés statistiques. Les solutions analytiques du problème serviront de référence pour la suite et la comparaison avec les données. Dans un deuxième temps, nous rechercherons la loi statistique exacte basée sur des fonctions de structure (mesures en deux points dans l'espace physique). Cette loi sera ensuite utilisée comme modèle pour évaluer le taux de chauffage du vent solaire aux échelles inertielles. Les données PSP seront alors utilisées : en particulier, l'étude sera réalisée en fonction de la distance héliosphérique. Un volet numérique peut être envisagé comme travail complémentaire si le temps le permet. La thèse proposée se fera en interaction avec l'équipe « plasmas spatiaux » du LPP qui est fortement impliquée sur ces questions de turbulence au niveau théorique, numérique et analyse de données.

  • Titre traduit

    Turbulence and heating of the solar wind at inertial scales


  • Résumé

    The solar wind is a highly turbulent plasma that can be measured in situ using spacecrafts such as Cluster/ESA, MMS/NASA, Parker Solar Probe (PSP) /NASA launched in August 2019 or Solar Orbiter/ESA launched in February 2020. Measurements show magnetic field fluctuations over a wide range of frequencies (8 decades) with a magnetic spectrum slope that changes around 1Hz (at 1 Astronomical Unit). This property is interpreted as the transition between a mono-fluid behavior of the plasma (MHD type) towards a state where the ions and the electrons have a distinct dynamics. A second transition is measured around 50Hz (still at 1 AU) with a magnetic spectrum that stiffens more. Physics is changing again at this scale from which the inertial effects are no longer negligible. These spectral properties can change with the heliospheric distance. In particular, the PSP mission has recently made it possible to study the plasma of the solar wind in the equatorial plane at distances never reached before (as close as 10 solar radia). The Solar Orbiter mission will approach the Sun up to 0.3 AU. The study of solar wind turbulence is also intimately linked to that of the origin of its local heating which is characterized by a slow decrease (i.e. slower than an adiabatic decrease) of the ion temperature as a function of the heliospheric distance. This difference is interpreted as the signature of a local heating, the origin of which could be turbulence which has the property of efficiently transferring energy from large scales (low frequencies) to small scales (high frequencies). The purpose of this transfer is to heat the plasma. The objective of this PhD Thesis is to study the solar wind turbulence at inertial scales (scales smaller than the electron inertial length). First, we will tackle the problem via an analytical study of wave turbulence in spectral space in order to deduce the main statistical properties. The analytical solutions of the problem will serve as a reference for the comparison with data. In a second step, we will look for the exact statistical law based on structure functions (two-point measurements in physical space). This law will then be used as a model to evaluate the rate of heating of the solar wind at inertial scales. The PSP data will then be used: in particular, the study will be carried out according to the heliospheric distance. A numerical component can be considered as additional work if time permits. The proposed PhD Thesis will be done in interaction with the 'space plasmas' team at LPP, which is strongly involved in these issues of turbulence at the theoretical, numerical and data analysis levels.