Turbulence MHD dans la magnétogaine terrestre en aval des chocs quasi-perpendiculaires

Transcription

1 Turbulence MHD dans la magnétogaine terrestre en aval des chocs quasi-perpendiculaires Olga Alexandrova Directeur de thèse : André Mangeney Codirecteur : Milan Maksimovic

2 Plan de la presentation I. Introduction II. Spectre turbulent dans la magnétogaine et Intermittence III. Etude des structures cohérentes correspondant à l intermittence IV. Vortex d Alfven V. Génération des vortex? VI. Conclusion et perspectives

3 I. Introduction La magnétogaine terrestre L écoulement du vent solaire (plasma sans collisions) autour de la magnétosphère terrestre est supersonique, ce qui crée un choc en amont Choc Magnétosphère Terre mesure de tous les paramètres du plasma in situ (CLUSTER) Magnetogaine Soleil Vent solaire La Magnétogaine est la région entre le choc et la magnétopause (la magnétopause est la limite de la magnétosphère)

4 Exemples de systèmes en aval de chocs sans collisions en astrophysique : Dans les restes des supernovae Cassiopeia A Les éjections de masse coronale sont accompagnées de chocs rayonnement intense X, Gamma

5 Que sait-on sur la turbulence dans la magnétogaine? Θ BN l angle entre B et la normale au choc B r Qpar choc δb B 0 Θ Bn ~ [0 1 o,45 o ] magnétopause Sources en aval du choc Qpar: fluctuations de VS particules suprathermiques, Vent solaire Qperp δb B 0 ~ 0.1 o o n [45,90 ] Θ Bn Sources en aval du choc Qperp: locale (anisotropie de température des ions)

6 En aval du choc perpendiculaire, le plasma est anisotrope Anisotropie T > T T > 2 T, β 1 p Source d énergie libre Croissance des ondes de basse fréquence β p = nkt p / 8π 2 B T f < f cp = 1 eb 2π m c >1.2T, β > 5 p p ondes AIC (Alfven Ion Cyclotron) mode transversal, k B ondes miroir Mode compressif, k perp. Les ondes AIC et Miroir réagissent de manière quasi-linéaire sur le plasma pour réduire l anisotropie des températures

7 Le plasma de la MG se trouve dans l état de stabilité marginale : stable instable [Lacombe & Belmont, 1995] Les observations (cercles noirs et blancs) désignent des modes identifiés AIC et Miroir dans le plan Anisotropie/beta «Image QL» semble suffisante pour expliquer les fluctuations dans la MG? Mais cette identification n est possible que dans des cas rares (ondes monochromatiques) Il n y a pas que des effets QL : le milieu est turbulent dans cette région

8 Propriétés universelles de la turbulence : invariance d échelle (spectres en loi de puissance) & intermittence (déviations de la gaussianité) Injection de l énergie dissipation Turbulence hydrodynamique (HD) spectre en k : α ne dépend pas de l injection de l énergie ni de la dissipation l intermittence : Filament de vorticité sur des échelles ~ échelle dissipative PDF de vorticité [Frisch, 1995] Fluctuations incohérentes Gaussienne [Farge et al., 2003]

9 La turbulence MHD dans le vent solaire spectre en f : E f α, α = 5 3 turbulence alfvenique : cassure à la fréquence cyclotronique des ions f cp 1 eb = 2π m c p intermittence : structures cohérentes sous la forme de couches de courant et chocs (1D) [Veltri & Mangeney, 1999]

10 La magnétogaine : invariance d échelle, intermittence? Il n y a pas de différence qualitative entre les spectres de δb en aval des chocs perp. ou parallèles et près de la magnétopause [Czaykowska et al., 2001] f α, α [ 3, 2] [Rezeau et al., 1986] f cp f 3.0 f 2.6 S S Choc MP [Sahraoui et al., 2003, 2005] 2.2 S ( f ) ~ f, f > S( k) ~ k 2.7 f cp Invariance d échelle dans certains domaines de fréquence Cassure des spectres près de f cp Intermittence?

11 II. Spectre turbulent dans la magnétogaine en aval des chocs et Intermittence Différents paramètres contrôlent l état de la «turbulence» (niveaux des fluctuations). Pour comparer les différents états de la MG on utilise un concept empirique, utilisé dans un contexte de plasma confiné [Pedrosa et al., 1999] spectre universel (si il existe) facteurs d échelles dépendants des propriétés locales

12 Existe-t-il un spectre universel? Spectre en aval d un choc parallèle Spectres en aval deux chocs perp. Les données du champ magnétique de la mission CLUSTER (instruments FGM+STAFF)

13 Superposition des 32 spectres magnétiques en aval des chocs, Θ BN =[15 o 90 o ] et β =[0.5-15] Malgré des variations importantes de Θ BN et β on arrive à superposer les spectres dans 2 domaines des fréquences : bosse Pente spectrale bien définie (spectres universels) : On n arrive pas à superposer la bosse souvent observée (22/32)

14 Bosse spectrale et Intermittence Spectres Fourier & Morlet bosse AIC [Alexandrova et al, 2004] Transformée de Morlet : décomposition temps/échelle

15 Histogrammes des amplitudes des fluctuations Si les composantes de champ sont gaussiennes - pour les amplitudes bosse AIC Intermittence

16 Histogramme de coefficients de Morlet à l échelle de la bosse «gaussienne» A l échelle de la bosse on observe de fortes déviations de la distribution gaussienne L intermittence est due, en particulier, aux évémenents de la bosse!

17 III. Etude des structures cohérentes correspondant à l intermittence Formes d ondes magnétiques d un événement intermittent : structure cohérente 1. Soit la direction n telle que δ << Bn 2 B 2 2. Polarisation quasi-circulaire dans le plan δ B 0 n B0, z Paquet d ondes planes ou tubes alignés à B 0

18 Dimensionnalité des structures cohérentes 1D : paquet d ondes planes 2D : tubes // B0 C1 n L analyse multi-satellite : mission CLUSTER C1 n V C2 C3 V C4 C2 C3 C4 Délai temporel entre C3 et C4 est zero Délais finis entre tous les satellites, en particulier entre C3 et C4

19 Les structures cohérentes dans la magnétogaine sont bidimensionnelles C1 n C2 V C3 C4 C est une structure isolée. Elle se déplace à une vitesse proche de celle du plasma (V~ [0 0.2] V A dans le référentiel du plasma).

20 Echelle caractéristique des structures cohérentes L échelle de la bosse :?

21 Propriétés supplémentaires des structures cohérentes δv : à partir de la loi d Ohm de la MHD idéale δn : à partir du potentiel de la sonde Il n y a pas de relation entre et

22 Résumé des propriétés des structures cohérentes localisation dans le plan perp à Bo (géom. cylindrique) la compression ne joue pas de rôle proportionnalité δv, δb vitesse finie dans le plasma V~ [0 0.2] V A échelle caractéristique ordre de grandeur :

23 IV. Vortex d Alfven quasi bidimensionnel [Petviashvilli & Pokhotelov, 1992] Observation : fluctuations 2D incompressible La MHD a des solutions sous la forme de vortex magnétique, équivalentes aux vortex en hydrodynamique incompressible Vortex aligné : monopole Vortex incliné : dipôle

24 Dans la magnétogaine on observe les deux types de vortex : monopôle et dipôle Satellite formes d ondes mesurées dans les deux cas :

25 Comparaison observations/modèle dans le cas du vortex monopôle Au centre du vortex : Dimension de la région où le courant est confiné : Echelle caractéristique du vortex :

26 V. Mécanisme possible de génération des vortex 31/03/ choc perpendiculaire, β=1.1 Filamentation d onde d Alfven front d onde initial Fluctuation de densité δρ [Alexandrova et al, JGR, 2004] AIC Mais AIC moins frequentes que les vortex!

27 Simulation Hybride 2D : étude de stabilité de l onde d Alfven d amplitude finie. électrons (fluide) ions (particules) L c/ ω pi λ k r 0 λ 10c/ ω pi βe βp = = B r 0 densité Y X

28 Spectre Fourier et évolution temporelle des modes de Fourier Onde d Alfvén «mère» k x B 0 Ondes «filles» (modes parallèles) L onde d Alfvén est instable (instabilité de modulation) mais il n y a pas d apparition de modes avec k >> y k x

29 Il y a des modes obliques, mais leur énergie est inférieure à celle des modes parallèles Energie magnétique modes parallèles modes obliques Les simulations 2D de l évolution d onde d Alfven effectuées ne donnent pas de structures localisées suivant y et alignées avec le champ B 0. Des structures cylindriques ne peuvent pas être générées dans des simulations avec une seule direction perpendiculaire

30 VI. Conclusions Turbulence dans la MG Une certaine universalité des spectres, loi de puissance par morceaux Intermittence Structures cohérentes ~ vortex d Alfven La turbulence est différente de celle du vent solaire : anisotropie de température des ions, parois (mp & choc), B 0 fort

31 Perspectives 1/2 Étude statistique étendue de la turbulence dans la MG 1. temps de cohérence des fluctuations : «turbulence faible ou forte» 2. lien éventuel avec les propriétés cinétiques des particules 3. mécanismes de génération des vortex 4. loi d échelle et intermittence en fonction de la position 5. anisotropie spectrale : Miroir / Alfvén, Turbulence miroir (cas près de la magnétopause) [Sahraoui et al., 2005] Turbulence alfvénique (statistiques sur 32 cas près du choc)

32 Perspectives 2/2 Etude comparative magnétogaine/vent solaire anisotropie spectrale, dimension des structures intermittentes (collaboration avec Calabre) Simulation numérique 1. Continuation des calculs hybrides (ions cinétiques) : en particulier passage en 3D pour tester l instabilité de filamentation (collaboration avec P. Hellinger et P. Travnicek) 2. Etude de stabilité des vortex d Alfven en MHD (collaboration avec R. Grappin) Applications astrophysiques influence de l intermittence sur la diffusion des particules suprathermiques et plus généralement sur les phénomènes de transport