Scaling laws in solar wind turbulence

par Raffaele Marino

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Noullez et de Vincenzo Carbone.

Soutenue en 2009

à Nice en cotutelle avec l'Università degli studi della Calabria , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....) , en partenariat avec Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences (autre partenaire) .

mots clés

• Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence
• Cascades (dynamique des fluides)
• Vents solaires
• Dissipation d'énergie
• Plasmas (gaz ionisés) -- Chauffage

Titre traduit

Lois d'échelle pour la turbulence dans le vent solaire

Résumé

Dans ma thèse de doctorat, je dérive la loi de Yaglom pour la magnétohydrodynamique, une relation de proportionnalité entre le moment mixte d’ordre 3 des incréments longitudinaux des variables d’Elsässer et l’échelle de ces incréments. En utilisant des mesures de la sonde spatiale Ulysses, j’ai montré pour la première fois la validité de cette relation, démontrant ainsi l’existence d’une cascade turbulente d’énergie et la nature turbulente des fluctuations de vitesse et champ magnétique dans les plasmas magnétisés. La relation de Yaglom pour la MHD permet aussi la première estimation directe des taux de transfert de pseudo-énergies turbulentes dans le vent solaire, et je l’ai utilisée pour montrer que la dissipation en fin de cascade turbulente MHD peut contribuer de 8% à 15% du taux de chauffage du vent solaire dans le cas incompressible, et jusqu’à 100% dans certains cas. Une analyse du vent solaire dans l’écliptique mesuré par Ulysses montre que le vent rapide a les mêmes propriétés sur l’écliptique et aux pôles, alors que le vent lent présente un taux de transfert bien plus élevé. J’ai également étudié le rôle des fluctuations de densité en turbulence MHD dans le vent solaire et j’ai montré qu’une relation phénoménologique similaire à la loi de Yaglom est vérifiée, ce qui implique que les fluctuations de densité ont un effet important et peuvent amplifier le taux de transfert d’énergie vers les petites échelles, ce qui permet un chauffage turbulent plus important et un refroidissement plus lent du vent solaire au cours de son expansion dans l’espace interplanétaire.

Résumé

In my PhD thesis I re-derive the Yaglom law for the MHD, a proportionality relation between the mixed third-order moment of the longitudinal increments of the Elsässer fields and the increment scale. Using Ulysses spacecraft measurements, I evidenced for the first time the existence of this relation in the polar solar wind, proving the presence of a local energy cascade and the turbulent character of the field fluctuations in Alfvénic plasmas. The observation of the Yaglom law for MHD also permits the first direct estimation of pseudo-energy dissipation rates in solar wind turbulence. In the thesis I also explored the possibility that the dissipation of energy occurring at the end of a turbulent MHD cascade can be responsible for the solar wind heating. I found that incompressible turbulent cascade can contribute to the solar wind in situ heating from 8 % to 50 % on average, and up to 100 % in some cases. Analysis of the ecliptic wind measured by Ulysses show that while the fast ecliptic streams have similar properties as the polar fast wind, the slow streams show an highly enhanced energy transport. I also study the role of large scale solar wind density fluctuations in MHD turbulence and showed that a phenomenological compressible Yaglom-like relation is verified within the solar wind, indicating that compressible effects are an important ingredient of the turbulent cascade and permit the transfer of a considerably larger amount of energy toward the small scales, where it can be dissipated to heat the plasma and slow down the radial cooling of the wind as observed in interplanetary space.