Ondes et turbulence dans les écoulements MHD anisotropes : applications solaires

par Barbara Bigot

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Sébastien Galtier et de Hélène Politano.

Soutenue en 2008

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Plasma anisotrope
• Simulation numérique directe
• Transfert non linéaire
• Magnétohydrodynamique
• Ondes magnétohydrodynamiques
• Soleil
• Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence

Résumé

Je présente une étude théorique, phénoménologique et numérique dédiée aux plasmas astrophysiques anisotropes. L’approximation fluide de la magnétohydrodynamique (MHD) incompressible, en présence d’un champ magnétique ambiant B0, est utilisée en régime de turbulence. Afin de caractériser la transition entre la turbulence MHD forte et faible (ou turbulence d’ondes), mes travaux numériques portent sur le développement de l’anisotropie, sa signature spectrale et spatiale, ainsi que son influence sur les transferts d’énergie dans des écoulements MHD tridimensionnels en décroissance libre. Cette analyse est faite en fonction de l’intensité du champ B0 est fort, de nouvelles lois temporelles sont dérivées pour l’énergie des ondes d’Alfvén de cisaillement et celle des pseudo-ondes, dans la limite asymptotique du régime de turbulence d’ondes (à fort B0). Ces prédictions sont ensuite confrontées à l’intégration numérique directe des équations MHD et à celle des équations cinétiques d’ondes. Enfin, je propose un modèle analytique de chauffage coronal par turbulence d’ondes d’Alfvén pour des structures fortement anisotropes, telles que les boucles coronales ou les lignes ouvertes de champ magnétique. Les taux de chauffage obtenus sont ensuite comparés avec les prédictions observationnelles de la couronne solaire.

Titre traduit

Waves and turbulence in anisotropic MHD flows : solar applications

Résumé

I present a theoretical, phenomenological and numerical study dedicated to anisotropic astrophysical plasmas. The incompressible magnetohydrodynamic (MHD) fluid approximation, in presence of an ambient magnetic field B0, is used in the regime of turbulence. In order to characterize the transition between strong and weak (or wave) MHD turbulence, my numerical work is focused on the development of anisotropy, its spectral and spatial signatures, as well as its influence on the energetic transfers in freely decaying tri-dimensional MHD flows. This analysis is performed according to the intensity of the applied B0 field. The energetic decay decreasing as the B0 intensity is increasing, new temporal laws are derived for the shear- and pseudo-Alfvén wave energies in the asymptotic limit of wave turbulence (strong B0). These predictions are then tested against direct numerical simulation of the MHD equations and of the wave kinetic equations. Finally, I propose an analytical model of solar coronal heating by Alfvén wave turbulence for strongly anisotropic structures, such as coronal loops or open magnetic field lines. The solar coronal heating rates found are then compared with the observational predictions.