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Une nouvelle technique révèle comment des structures cohérentes entraînent le transfert d’énergie et la dissipation dans la turbulence des plasmas spatiaux
Le Soleil produit un écoulement supersonique de particules chargées : le vent solaire, qui interagit avec les magnétosphères planétaires dans le système solaire. Lors de l’interaction avec les magnétosphères, des chocs planétaires se forment et le plasma en aval est décéléré et chauffé dans ces régions que l’on appelle les magnétogaines. Le plasma dans toutes ces régions - vent solaire, choc et magnétogaine - est très turbulent.
Dans les écoulements turbulents, les mouvements à grande échelle (gros tourbillons) affectent les mouvements à petite échelle (petits tourbillons) et ceci correspond à un transfert net d’énergie entre les différentes échelles. Cette énergie est finalement dissipée aux échelles cinétiques, c’est-à-dire les échelles comparables aux rayons de giration des ions et des électrons. Cependant, la manière dont ce transfert et cette dissipation se produisent est une question clé qui demeure ouverte. Le transfert et la dissipation aux échelles cinétiques peuvent être produits par différents mécanismes tels que l’amortissement linéaire des ondes, la reconnexion magnétique et le chauffage stochastique. Il est maintenant largement accepté que la présence de « structures cohérentes » localisées dans l’espace augmente les canaux de transfert et de dissipation d’énergie ainsi que les structures cinétiques du plasma. Ces structures cohérentes, observées in situ par plusieurs satellites, se manifestent naturellement dans les plasmas turbulents héliosphèriques sous la forme de couches étendues où le champ magnétique et les courants électriques sont plus élevés qu’ailleurs. Le transfert d’énergie est très inhomogène : la plus grande partie du transfert se produit dans une petite partie de l’espace. Malgré tout ça, des méthodes quantitatives pour exprimer la relation entre le transfert d’énergie entre les échelles et la présence de structures dans l’espace ne sont pas disponibles.
Une étude récente de E. Camporeale de l’Institut National Néerlandais de recherche en mathématiques et informatique (Centrum Wiskunde & Informatica - CWI), cosignée par le chercheur du LPP A. Retinò, utilise la technique de filtrage spatial pour quantifier ce transfert. Cette technique est appliquée à des simulations magnétohydrodynamiques bidimensionnelles à haute résolution de type Hall, pour obtenir de façon quantitative le transfert d’énergie de grandes échelles à petites échelles dans différents domaines de la simulation et pour quantifier l’importance des structures cohérentes pour la dissipation de l’énergie. La figure ci-dessous, qui a fait la page de couverture de la revue Physical Review Lettersdu 19 mars 2018, montre la formation des structures cohérentes dans le domaine de la simulation, où les échelles spatiales sont normalisées à la longueur inertielle des ions. La composante du champ magnétique hors du plan de la simulation, Bz, est montrée. Les structures cohérentes sont les structures à petites échelles où Bz est plus intense, correspondant aux régions de fort courant électrique.
- Structures cohérentes dans un plasma turbulent
Dans l’étude de Camporeale et al., la caractérisation de structures cohérentes est réalisée par une transformation en ondelettes bidimensionnelle. En étudiant la corrélation entre le flux d’énergie et l’amplitude des ondelettes, l’étude démontre la forte relation entre le transfert entre échelles et les structures cohérentes. En plus, en conditionnant une grandeur par rapport à l’autre, l’étude quantifie pour la première fois l’inhomogénéité de la cascade turbulente d’énergie induite par des structures topologiques dans le champ magnétique. La moitié du transfert d’énergie est localisée dans seulement 25% de l’espace.
Pour plus information :
https://journals.aps.org/prl/issues/120/12
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.125101
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