Modélisation des propriétés thermodynamiques et de la composition du vent solaire

Soutenance de thèse de Paul Lomazzi (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse : Les processus physiques dans la couronne solaire qui sont responsables de la formation du vent solaire – un faisceau d’ions et d’électrons supersoniques – font l’objet de recherches continues. Les missions Parker Solar Probe (PSP) et Solar Orbiter (SolO) ont fourni des données sans précédent sur les fonctions de distribution des particules depuis la couronne externe jusqu’à l’héliosphère interne. Ces mesures révèlent que le vent solaire est très dynamique, fréquemment perturbé par des jets et des inversions de champ magnétique à grande échelle. Nous analysons les données PSP et SolO pour identifier une composante « calme » du vent solaire, non perturbée par les jets et les inversions, qui a été désignée comme le « vent solaire de fond ». Nous déduisons l’évolution radiale des anisotropies de température, de la vitesse et de la densité des protons, des électrons et des ions à partir de mesures in situ. En les combinant avec la spectroscopie coronale nous obtenons une bonne couverture des propriétés du plasma depuis la région de transition jusqu’au vent solaire. Ceci fournit une base d’observation sur laquelle nous testons un modèle de transport de plasma multi-espèces du système chromosphère-corona-vent solaire.

La première partie de la thèse modélise la cascade de turbulence des ondes d’Alfvén et leur dissipation dans l’atmosphère solaire. L’objectif est de définir un ensemble de fonctions analytiques qui décrivent la distribution spatiale du chauffage du plasma, de la couronne interne au vent solaire qui s’échappe. Le dépôt d’énergie est étudié en termes de propriétés à grande échelle des lignes de champ magnétique ouvertes, y compris leur taux d’expansion de la photosphère à la couronne supérieure.

La deuxième partie de la thèse utilise un modèle multi-espèces de l’atmosphère solaire récemment développé à l’IRAP, ainsi que les fonctions de chauffage définies dans la première partie, pour examiner comment la variation de l’altitude du chauffage coronal affecte les propriétés du vent solaire qui s’en échappe. Le modèle reproduit l’anticorrélation entre l’état de charge des ions et la vitesse terminale du vent en termes de hauteur à laquelle l’énergie est déposée dans la couronne. Cependant, les rapports d’état de charge modélisés sont généralement inférieurs à ceux observés. L’inclusion d’une population d’électrons suprathermiques augmente les états de charge des ions lourds et l’accélération du vent solaire par l’effet du champ électrique ambipolaire, améliorant ainsi l’accord avec les mesures.

La troisième partie de la thèse examine le transport de l’hélium (He) à travers les différentes régions de l’atmosphère solaire et dans le vent solaire naissant. En utilisant notre modèle multi-espèces, qui couple les particules α aux protons, nous démontrons l’impact des processus collisionnels et non collisionnels sur l’évolution rapide des propriétés des particules alpha. Ce modèle de vent solaire purement thermique peut reproduire l’évolution radiale des densités, des anisotropies de température et des vitesses des trois principaux constituants du vent solaire de base (particules alpha, protons et électrons). Nous constatons que les anisotropies de température élevées des particules alpha contribuent à l’accélération de cette composante du vent solaire par le biais de la force miroir. La variation de l’altitude à laquelle l’énergie est déposée dans la couronne modifie l’abondance des particules alpha dans le vent qui s’échappe. Lorsque l’énergie est déposée à une altitude élevée dans la couronne pour un faible facteur d’expansion, les anisotropies de température induisent une forte accélération des les particules alpha à des vitesses bien supérieures à celles mesurées. Nous soutenons que ces vitesses différentielles élevées entre les particules alpha et les protons sont instables par rapport à l’instabilité Fast-Mode/Whistler, qui agit pour diminuer rapidement la vitesse différentielle.

Composition du jury de thèse :

• Eric Buchlin, Rapporteur, IAS-Université Paris Sud
• Yi-Ming Wang, Rapporteur, NRL-Washington
• Anna Tenerani, Examinatrice, University of Texas 
• Daniel Verscharen, Examinateur, MSSL-University College London
• Benjamin Chandran, University of New Hampshire
• Alexis Rouillard, Directeur de thèse, IRAP-CNRS-Université Toulouse III Paul Sabatier
• Victor Reville, Co-directeur de thèse, IRAP-CNRS-Université Toulouse III Paul Sabatier