ORGANISME(S) DE COFINANCEMENT : CNES

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1 OBSERVATOIRE DE LA COTE D'AZUR SECRETARIAT DU CONSEIL SCIENTIFIQUE DEMANDE DE BQR 2008 PRESENTEE PAR L UNITE : Cassiopee RESPONSABLE : T. Corbard TITRE DE L'OPERATION : Préparation a l exploitation des données SDO (Solar Dynamics Observatory) JUSTIFICATIF DE LA DEMANDE : Nous demandons l'acquisition d'une capacité de stockage en ligne de haut niveau de disponibilité de 30To qui sera un minimum nécessaire pour travailler sur les données SDO successeur de SoHO mais procurant une résolution spatiale 4 fois supérieure. Cette baie sera attachée par Fibre channel au serveur Ray et éventuellement à d autres serveurs (tels que ceux demandés au CNES pour l analyse des données PICARD ou le Mesocentre). L'objectif scientifique poursuivi par cette opération est l'étude observationnelle de l'activité solaire et plus particulièrement des corrélations entre l'activité magnétique et la dynamique sub-photosphérique. Plusieurs méthodes ont été développées très récemment qui permettent à partir des données spatiales (SoHO) de connaître les mouvements du plasma notamment sous les régions présentant une activité magnétique importante. Ces techniques permettent également d'obtenir des informations sur la circulation méridienne solaire jusqu'à 15Mm sous la photosphère. Ce dernier paramètre, très mal connu jusqu'à aujourd'hui est pressenti comme étant un élément clef fixant l'horloge des modèles cinématiques de la dynamo solaire et dont la connaissance nous permettra probablement de mieux prédire l'amplitude des cycles d'activités. Le but de cette demande est de pouvoir traiter localement les nouvelles observations du satellite SDO qui sera lancé début Avec Amel Zaatri, nous avons développé les logiciels nécessaires à ces traitements et les avons fait tourner avec succès sur le Mesocentre sur des données SoHO mais l exploitation de SDO nécessitera une capacité de stockage bien supérieures à la fois pour l accès aux observations (1 image 4096*4096 par minute soit ~100Go/jour) et la production des résultats (~500Go/jour). Nous estimons a 30To l espace indispensable afin de pouvoir travailler sur ces données. Cet espace disque pourra aussi être utilisé par les membres de la SIR solaire en cours de formation ( et notamment L. Bigot dont les simulations numériques MHD 3D s intègrent parfaitement dans le projet pour l exploitation des observations haute résolution et nécessitent des grilles de calcul très denses et un usage intense d un espace disque que nous estimons devoir être de l ordre de 4-5 To. Cette demande est connexe à une demande en cours au CNES visant à s équiper d un centre de données pour le traitement des données PICARD (15To). L objectif poursuivi est donc de profiter de cette opportunité pour s équiper d une capacité totale de 45 To permettant de traiter non seulement les données PICARD mais aussi celles de SDO et de renforcer ainsi la synergie entre les deux programmes ainsi que les collaborations dans le cadre de la SIR solaire. Le volume global nécessaire au projet dépasse très largement les capacités disponibles localement. PARTICIPANTS : T. Corbard, A. Zaatri, G. Grec, C. Renaud, L. Bigot (Cassiopée), O vd Luhe (KIS, Allemagne), P. Boumier, T. Appourchaux (IAS), D. Salabert, S.J. Jimenez-Reyes (IAC, Espagne) PRESENTATION LIBRE DU PROJET - (éventuellement publications correspondantes déjà réalisées par un ou des membres demandeurs) - A JOINDRE A CE FORMULAIRE DEMANDE DE BQR : EQUIPEMENT FONCTIONNEMENT MISSIONS TOTAL DU PROJET CREDITS DEJA OBTENUS (HORS BQR) 10K K 4k 10K TOTAL DE LA DEMANDE DE BQR COFINANCEMENT DEMANDE : X oui 58%(14/24) non ORGANISME(S) DE COFINANCEMENT : CNES

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3 Annexe : détail de la demande Étude de l'activité solaire par l'héliosismologie à haute résolution spatiale. Préparation à l exploitation des données SDO 1) Objectifs et finalité scientifique Une nouvelle branche de l'héliosismologie, appelée heliosismologie locale, s'est développée ces quelques dernières années grâce aux nouvelles capacités haute résolution des instruments imageurs Doppler tels que MDI sur SOHO ou les nouvelles caméras du réseau GONG. Ces observations permettent en effet d'étudier localement les ondes acoustiques sur de petites portions de la surface solaire en les assimilant à des ondes planes et d'en déduire les composantes horizontales de la circulation sub-photosphérique à différentes profondeurs. Si l'approximation locale ne permet pas de sonder les couches les plus profondes du Soleil, elle permet en revanche d'atteindre des résolutions spatiales et temporelles bien meilleures que celles atteintes par l'heliosismologie globale pour les couches immédiatement sous la photosphère (jusqu'à 15Mm). Hors cette zone est d'un intérêt tout particulier pour comprendre l'origine du cycle magnétique solaire puisqu'elle se situe juste au dessous de la zone (la photosphère) dans laquelle nous pouvons observer et suivre directement les manifestations de l'activité magnétique. Les enjeux de ces études sont multiples: L'un des objectifs principaux est la détermination et le suivi au cours du cycle de la circulation méridienne moyenne sous la photosphère. Ces mouvements méridiens, inaccessibles par l'héliosismologie globale et difficilement observés en surface, ont toujours été introduits comme un paramètre dans les modèles cinématiques dynamo mais c'est un élément clef réglant notamment l'horloge et l'amplitude du cycle et donc leur détermination par l'observation est d'un très grand intérêt. L'étude des corrélations entre la répartition (spatiale, temporelle et d'amplitude) de l'activité magnétique de surface et des mouvements de circulation sub-photospherique est également un élément clef pour notre compréhension du fonctionnement de l'activité magnétique à la fois localement autour des régions actives et globalement au cours du cycle de 22 ans. Un travail préliminaire nous a permis de montrer la faisabilité de telles études. Nous avons obtenu les premières cartes synoptiques de circulation sub-photosphérique établie à partir des observations de SoHO et du réseau GONG. SDO/HMI dont le lancement est prévu en janvier 2009 sera le successeur de SoHO/MDI et procurera essentiellement une résolution spatiale 4 fois supérieure ainsi qu une plus grande cadence temporelle. Cela permettre une étude de la dynamique aux petites échelles dont les simulations numériques nous ont démontrées l importance alors qu elles n étaient pas accessibles à l observation jusqu'à présent. Afin de compléter notre étude de l activité magnétique solaire par inversion des données héliosismiques, nous avons entrepris une approche complémentaire directe qui consiste à modéliser la zone convective externe à l aide de simulations 3D Magnéto-hydrodynamiques (MHD). Dans cette approche nous résolvons toutes les équations de la MHD couplées au transfert de rayonnement et incluant une grande quantité de physique atomique (opacité et équation d état) afin de modéliser ces régions avec le plus de réalisme possible. Les résultats de ces simulations montrent un très bon accord (~1%) lorsqu ils sont confrontés aux

4 observations telles que les mesures d assombrissement centre-bord, les profils de raies et le spectre d excitation des modes p. La comparaison entre les cartes de champs de vitesses obtenues par inversion des données SDO et celles obtenues par simulations 3D MHD permettra de contraindre fortement ces dernières. Afin de déterminer l influence du champ magnétique sur les écoulements convectifs, nous avons entrepris de réaliser une série de modèles en faisant varier le champ magnétique allant de quelques Gauss (Soleil calme) à plusieurs centaines de Gauss correspondant régions dites «plages». L approche consiste à imposer un champ magnétique vertical ou horizontal sur un modèle purement hydrodynamique pleinement relaxé et de le laisser évoluer. Nous espérons ainsi mieux comprendre et quantifier la diminution du flux convectif en présence de champ magnétique et d étudier en parallèle la formation d une dynamo locale entretenue par les mouvements convectifs. Nous avons réalisé une série de tests sur des mailles numériques modestes (~200^3). Cependant, afin de résoudre les structures magnétiques les plus fines notamment celles correspondant aux «points brillants» observés dans les zones intergranulaires, nous sommes obligés d aller vers des mailles encore plus fines et des résolutions de l ordre de 500^3. Cette approche a déjà été adoptée par d autres groupes. 2) Position par rapport aux travaux du même type a. Au niveau national L'expertise acquise dans ce domaine est unique en France. Aucun autre groupe français n'est, impliqué dans le développement des méthodes de l'héliosismologie locale. L'étude de l'activité solaire est par ailleurs le thème scientifique principale de la future mission PICARD (micro satellite CNES) qui comporte un programme d'héliosismologie globale sur lequel nous sommes très fortement engagés et pour lequel nous développons une collaboration avec SDO pour le traitement conjoint des images en intensité que produiront les deux instruments. b. Au niveau international Aux Etats-Unis, le groupe de Stanford prépare activement depuis plusieurs années l ensemble de l infrastructure nécessaire pour la collecte, la diffusion et l exploitation des données SDO représentant jusqu'à 1To par jour (pour l ensemble des instruments du satellite). En Europe, un groupe solaire a été formé et financé au Max Plank Institut en Allemagne avec pour mission principale de préparer l analyse des données SDO et d acquérir l infrastructure nécessaire (German Data Center for the Solar Dynamics Observatory Dans le cadre du «Sixth Framework Programme» (FP6), une action de coordination a été financée par l Europe dont l un des objectifs est de renforcer les collaborations en Europe autour de l heliosismologie locale. L OCA est le représentant français avec T. Corbard qui est membre du bureau. Un workshop a été organisé dans ce cadre à l OCA en 2006 «Roadmap for European Local Helioseismology» ( voir aussi les proceedings sur

5 3) Collaborations en cours sur ce thème Nous sommes en relation étroite avec le groupe de Stanford, l IAS et l IAC pour le développement des outils de l héliosismologie locale et la préparation des analyses jointes PICARD/SDO. De plus, nous avons établi de fortes collaborations avec l équipe Allemande travaillant à la préparation de SDO. Cette équipe étant la seule en Europe actuellement équipée pour pouvoir recevoir et analyser les données SDO, nous étudions en ce moment les moyens de partager nos ressources (en terme de capacités de calcul et/ou d accès aux données) grâce a l intégration de celles-ci au sein d une grille européenne. Amel Zaatri effectue sa thèse au Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik dans ce cadre. 4) Justificatif des crédits demandés (voir devis joints) Des images Doppler du Soleil 4096x4096 seront acquises toutes les 50s (~100Go/jr). Nous découpons typiquement ces images en plusieurs centaines de régions produisant, pour chaque journée d'observation, des cubes de données spatio-temporelles (500Go/jour). Une transformation de Fourrier 3D est ensuite appliquée à chacun de ces cubes produisant des spectres 3D (60Go/jour). Ces spectres sont finalement ajustés par maximum de vraisemblance et les fréquences extraites inversées à partir d'un modèle solaire pour en déduire les composantes azimutales et méridionales des vitesses de circulation jusqu'à des profondeurs de 15Mm sous la photosphère. Une capacité de stockage de 30To attachée en ligne de haut débit à un serveur représente la capacité de stockage nécessaire au traitement de 60 jours d'images SDO ce qui permet la construction d'une carte synoptique couvrant deux rotations solaires complètes. Par ailleurs, les simulations MHD 3D entreprises par L. Bigot impliquent, pour atteindre la résolution nécessaire, de générer de très gros tableaux 3D (500^3) pour 9 variables (champ de vitesse, champ magnétique, densité, énergie et température). Pour chaque pas de temps, le «snapshot» ainsi créé représente environ 5-9 Go. Afin de suivre la dynamique, nous devons stocker ces tableaux typiquement toutes les 30 secondes («temps solaire»). Sachant que le temps de retournement convectif à la surface du Soleil est de l ordre de min, nous devons laisser tourner ces simulations pendant 2-3 heures (temps solaire), afin de s affranchir notamment de l influence des conditions initiales particulières. Au final chaque modèle MHD représente plusieurs centaines de Go. Nous devons répéter ce travail pour chaque valeur de champ magnétique imposée au départ. Nous estimons ainsi avoir besoin pour ce travail de l ordre de 4-5 To de stockage. Parallèlement nous devons nous équiper dans le contexte de PICARD d un serveur de données d une capacité de 15To dont le financement est demande au CNES. L objectif de la présente demande est de saisir cette opportunité pour atteindre une capacité qui nous permette aussi d être compétitif pour l analyse des données SDO et de renforcer les collaborations au sein de la SIR pour la confrontation des observations aux simulations. La baie demandée sera attachée par Fibre channel au serveur Ray et éventuellement à d autres serveurs (tels que ceux demandés au CNES pour l analyse des données PICARD ou le Mesocentre selon les possibilités). Les composantes de la demande peuvent être résumées par : -baie equipee de disques SATA 44To Fibre channel - switch Fibre channel - carte PCI fibre channel pour le serveur (ray)