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Première simulation directe MHD du chauffage turbulent dans le vent solaire

L’atmosphère qui s’échappe du soleil (le vent solaire) se refroidit plus lentement que ce que prédit la simple décompression du plasma, ce qui implique que le vent emporte une source de chauffage. Une possibilité, étudiée ici, est que la source soit les ondes emportées par le vent qui se dissiperaient progressivement en chaleur (dissipation turbulente). Pour tester ce scénario, il suffit de mesurer le taux de dissipation et de le comparer à la variation de température avec la distance. Il y a deux méthodes possibles de mesure.

Schéma du soleil et de la zone d’accélération du vent solaire (flèches rouges), guidé par les lignes magnétiques en vert et les ondes (serpentins rouge) servant de réservoir d’énergie pour le chauffage turbulent.

Une première méthode consiste à déduire le taux de dissipation de l’amplitude des ondes mesurée, via la relation de Politano et Pouquet (1998), relation valide dans le cadre de la magnétohydrodynamique ou MHD. La mesure a été faite dans le vent solaire par des équipes italo-niçoise, américaine et du LPP (Carbone et al 2009, Coburn et al 2012, Hadid et al 2017) ; elle a montré que la dissipation d’énergie turbulente est suffisante pour expliquer la chute lente de température, au moins à l’orbite terrestre.

Quelques étapes de l’évolution du plasma (couleurs = intensité du champ magnétique) au cours du transport par le vent solaire (résolution numérique directe des équations de la MHD)

Une deuxième méthode, purement numérique, a été utilisée pour la première fois par Montagud-Camps, Grappin (LPP) et Verdini (Florence). Elle consiste à reproduire l’évolution turbulente d’un paquet de matière emportée par le vent en résolvant directement les équations d’évolution du fluide MHD. Les travaux précédents (Breech et al 2009) utilisaient pour cela des équations modèles éloignées de la MHD dont la validité était difficile à vérifier.
L’intégration des équations de la MHD a pu être faite en séparant le vent moyen radial et les fluctuations turbulentes par la méthode dite "boite en expansion" ; elle a permis de suivre l’évolution du plasma emporté par le vent entre 0.2 unités astronomiques (UA) et l’orbite terrestre.
L’évolution de la température ainsi obtenue par chauffage turbulent correspond à celle observée dans le vent. Cela confirme la validité de la description MHD pour des longueurs d’onde plus grandes que la gyration des protons. Ceci implique également une relation directe simple entre température et chauffage qui reste à expliquer.

Pour en apprendre plus :
Montagud-Camps, Grappin, Verdini Turbulent Heating between 0.2 and 1 au : A Numerical Study
The Astrophysical Journal 853:153, 2018


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