Turbulent dynamics of the Solar Wind
Creators
- Montagud Camps, Victor1
- Universite Paris-Sud, Ecole doctorale no. 127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France - AAIF, Palaiseau (France)
- Observatoire de Paris, Lesia, UMR 8109 (France)
- Universite Paris-Saclay, Espace Technologique, Immeuble Discovery, Route de l'Orme aux Merisiers RD 128, 91190 Saint-Aubin (France)
- 1. LPP, Ecole Polytechnique, CNRS, UPMC Univ Paris 06, Univ. Paris-Sud, Observatoire de Paris, Universite Paris-Saclay, Sorbonne Universites, PSL Research University, 91128 Palaiseau (France)
Description
The aim of this thesis is the study of the development of turbulence in the solar wind between 0.2 and 1 astronomical unit (AU) from the Sun (i.e. Earth's orbit). The study is done by solving the magnetohydrodynamics equations (MHD) after subtracting the mean radial flow. The two aspects of turbulence that interest us are the 3D structure of the energy spectra and the heating of plasma that results from the turbulent dissipation of eddies and current layers transported by the wind. We want to determine which conditions of the plasma close to the Sun can result into what we observe at 1 AU. We have relatively detailed measurements of what happens between 0.3 and 1 AU. One important goal of this work is to determine if the physics present in the equations that are integrated (MHD) is sufficient to reproduce what is observed in this interval of distances. We introduce the context of our work in the first part. We give a summary of the physics concerning the solar wind and the solar corona, and the basic equations used to describe the solar wind plasma and an introduction to turbulence. Part 2 is dedicated to the study of anisotropy in the turbulent cascade, which characterizes 3D spectra. In the inertial range, in-situ measurements at 1 AU show complex figures for these spectra that we can interpret in several ways: numerical simulations allow to clear ambiguities. An important question is to know whether the Earth-Sun symmetry axis or the mean magnetic field axis is dominant. The third part focuses on turbulent heating in fast and slow winds. Between 0.3 and 1 AU, proton temperature decreases more slowly than expected, which requires a heating source. This source is supposed to be the continuous dissipation of eddies and current layers transported by the wind. To start with, we consider the simple case of Burgers equation, which is a one-dimensional model for shock formation. Thereupon, we switch to the 3-dimensional case, where we consider initial conditions appropriate for slow and fast winds. In the last part we expose our conclusions and propose the implementation of temperature anisotropy as future work. (author)
Abstract (French)
Le but de cette these est l'etude du developpement de la turbulence dans le vent solaire entre 0.2 et 1 unite astronomique (UA) du soleil (i.e. l'orbite terrestre). L'etude est faite en resolvant numeriquement les equations de la MHD apres soustraction de l'ecoulement moyen radial. Les deux aspects de la turbulence qui nous interessent sont la structure 3D des spectres d'energie et le chauffage du plasma qui resulte de la dissipation turbulente des tourbillons et couches de courant emportes par le vent. On cherche a determiner quelles sont les conditions du plasma pres du soleil qui permettent d'aboutir a ce qu'on observe a 1 UA. Un but important de mon travail est aussi de determiner si la physique qui est presente dans les equations que j'integre (la MHD) suffit pour arriver a reproduire ce qu'on a deja observe dans cet intervalle de distance. Nous introduisons le contexte de notre travail dans la premier partie. On y trouve les equations de base, une introduction a la turbulence, un resume sur la physique du vent solaire et de la couronne solaire. La partie 2 sera consacree a l'etude de l'anisotropie de la cascade turbulente, et plus precisement du spectre 3D. Dans la zone inertielle, les mesures in-situ vers 1 UA montrent des figures complexes pour ces spectres qu'on peut interpreter de plusieurs facons: nos simulations numeriques permettent de lever toute ambiguite. Plus precisement, la question est de savoir quand intervient l'axe soleil-terre, et quand intervient l'axe du champ magnetique moyen. La partie trois est centree sur le chauffage turbulent dans les vents rapides et lents. Entre 0.3 et 1 UA, la temperature des protons diminue anormalement lentement, ce qui indique une source de chauffage, qu'on suppose ici etre la dissipation des tourbillons et couches de courant emportes par le vent. Pour demontrer que cette hypothese est raisonnable, nous considerons d'abord le modele de Burgers qui est un modele pour l'evolution d'ondes sonores. Ensuite, nous passons a l'etude du cas plus complexe d'un volume de plasma 3D. Nous examinerons les conditions initiales correspondant aux vents lents et rapides. Dans les deux cas, on adoptera des anisotropies spectrales differentes. Dans la derniere partie, nous exposerons les conclusions de notre travail et proposerons d'introduire l'anisotropie de la temperature dans un travail futur. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Dynamique Turbulente du Vent Solaire
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 129 p.
- Report number
- FRNC-TH--12119
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52111034
- Subject category
- S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- MAGNETOHYDRODYNAMICS; PLASMA; PROTON TEMPERATURE; SOLAR ELECTRONS; SOLAR PROTONS; SOLAR WIND; TURBULENCE
- Descriptors DEC
- BARYONS; ELECTRONS; ELEMENTARY PARTICLES; FERMIONS; FLUID MECHANICS; HADRONS; HYDRODYNAMICS; LEPTONS; MECHANICS; NUCLEONS; PROTONS; RADIATIONS; SOLAR ACTIVITY; SOLAR PARTICLES; SOLAR RADIATION; STELLAR ACTIVITY; STELLAR RADIATION; STELLAR WINDS
Optional Information
- Notes
- 108 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses