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AbstractAbstract
[en] Turbulent energy dissipation is a key process in the cold interstellar medium (ISM), not only on the road to star formation but also as a source of suprathermal energy able to open new chemical routes, otherwise inactive at the low gas temperature. Such routes are required, though, to explain the high abundance of species such as CH+ and SH+ observed in the ISM. In this context, the space-time intermittency of energy dissipation is particularly relevant because it drives injection of suprathermal energy in the ISM locally far above the average level. The detailed characteristics of the spatial distribution and the geometrical properties of the energy dissipation rate can provide valuable inputs to chemical models. We study them here with the aid of direct numerical simulations with unprecedented dedication to resolve the dissipation processes numerically. As the sonic Mach number in the diffuse interstellar medium can take values in a wide range, we bracket the possible physics by considering two categories of decaying turbulence models. On the incompressible extreme, we perform pseudo-spectral simulations of viscous and resistive magnetohydrodynamics, with a particular emphasis on ambipolar diffusion due the ion-neutral drift. On the compressible extreme we consider grid-based (Godunov) simulations of isothermal resistive and viscous magnetohydrodynamics where our focus is on numerical dissipation. Our incompressible simulations show that ambipolar diffusion leads to force-free magnetic fields at small scales. As a result, the typical scale of ion-neutral friction heating is displaced to large scales in the inertial range, much greater than dimensional analysis would predict. The structures of high dissipation are spatially coherent sheets, each with a single nature of dissipation (viscous, ohmic or ambipolar). We reveal their statistical scaling laws and compute their intermittency exponents. We show that compressible simulations are subject to a lot of numerical dissipation: in our set up, less than half of the total dissipation is accounted for by the physical terms, the rest is produced by the numerical scheme. We design a method to recover locally the energy lost in the scheme and we use it to examine the sheet-like structure of the dissipation field as in our incompressible simulations. We show that numerical dissipation prevents us to assess the nature of dissipative structures. For instance, although we confirm previous results that physical dissipation in shearing sheets rapidly dominates over shocks, the balance could be reversed if numerical dissipation were shock dominated. Finally, we examine the efficiency of various observational tracers to characterize the structures of high dissipation. In particular, we find that increments of molecular line centroid velocity or of polarization Stokes parameters correlate very well on the plane of the sky with specific structures of high dissipation. We also compute the intermittency exponents measured for these tracers and find they span a broad range of possible values. At last, we mix the Fourier phases to demonstrate the crucial role of coherence in producing the filamentary structure of observable maps of increments such as recently produced by the Planck collaboration. (author)
[fr]
La dissipation d'energie turbulente est un processus clef dans le milieu interstellaire (MIS) froid, non seulement pour comprendre les voies de formation des etoiles, mais aussi en tant que source d'energie supra-thermique et donc capable d'ouvrir de nouveaux chemins chimiques pour expliquer les abondances d'especes soumises a des barrieres endoenergetiques, telles que CH+ et SH+ qui sont observees dans le MIS. Dans ce contexte, l'intermittence spatio-temporelle du taux de dissipation d'energie joue un role crucial car elle conduit a une injection d'energie supra-thermique qui peut localement etre tres intense par rapport au taux moyen. Les caracteristiques detaillees de la distribution spatiale et les proprietes geometriques des lieux de dissipation intense peut fournir des indications precieuses pour les modeles chimiques. Nous etudions ici ces structures a l'aide de simulations numeriques directes, avec un soin sans precedent pour resoudre les processus dissipatifs numeriquement. Le nombre de Mach dans le MIS diffus peut prendre des valeurs aussi bien grandes que petites et nous encadrons les effets de la compression entre deux categories de turbulence en declin. Dans le cas extreme incompressible, nous realisons des simulations pseudo-spectrales de magnetohydrodynamique visqueuse et resistive, avec un eclairage particulier sur la diffusion ambipolaire due a la vitesse relative qui existe entre les ions et les neutres. Du cote de la compressibilite extreme, nous considerons des simulations isothermes basees sur des schemas sur grille (type Godunov) qui incluent dissipation visqueuse et resistive: nous nous interessons ici particulierement a la dissipation numerique. Nos simulations incompressibles montrent que la diffusion ambipolaire conduit le champ magnetique a petite echelle dans une configuration libre de force de Lorentz. En consequence, l'echelle caracteristique du chauffage par friction ion-neutre se deplace a plus grande echelle, aux echelles inertielles de la turbulence, bien plus grandes que la taille estimee par le raisonnement dimensionnel classique. Les structures dissipatives dans nos simulations sont des feuilles coherentes spatialement, chacune portant une nature dissipative bien distincte (visqueuse, ohmique ou bien ambipolaire). Nous revelons les lois statistiques qui gouvernent leurs caracteristiques et nous calculons les exposants des fonctions de structure qui quantifient l'intermittence. Nous montrons que les simulations compressibles sont sujettes a une forte dissipation numerique: dans nos experiences, a peu pres la moitie de la dissipation totale est attribuee aux termes de dissipation physique, le reste est produit par le schema numerique. Nous avons mis au point une methode pour estimer localement l'energie perdue dans le schema et nous l'utilisons pour examiner la structure en feuilles du champ de dissipation comme dans les simulations incompressibles. Par exemple, bien que nous confirmons que la dissipation physique visqueuse est dominee par les feuilles de cisaillement plutot que par les chocs, nous ne pouvons exclure que la dissipation numerique ne renverse cet equilibre si celle-ci etait dominee par les chocs. Pour finir, nous examinons l'efficacite de diagnostiques observationnels varies pour tracer les structures de forte dissipation. En particulier, nous trouvons que les increments de centroides de vitesse ou des parametres de Stokes correle tres bien sur le plan du ciel avec certaines structures de forte dissipation. Nous calculons aussi les exposants de l'intermittence mesures pour ces memes traceurs et nous trouvons qu'ils s'etendent sur une large plage de valeurs. Enfin, nous melangeons les phases dans l'espace de Fourier associe a la boite de simulation periodique, et nous demontrons le role crucial de la coherence de phase pour produire la structure filamentaire observee dans les cartes d'increments comme celles obtenues recemment par la collaboration Planck. (auteur)Original Title
Les lieux de dissipation turbulente extreme dans le millieu interstellaire diffus: structure et proprietes
Primary Subject
Source
23 Jan 2015; 151 p; [160 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de doctorat, Discipline: Physique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
AMBIPOLAR DIFFUSION, COMPRESSIBILITY, COMPUTERIZED SIMULATION, DISTRIBUTION FUNCTIONS, ENERGY LOSSES, FILAMENTS, FRICTION, INTERSTELLAR SPACE, LORENTZ FORCE, MACH NUMBER, MAGNETIC FIELDS, MAGNETIC REYNOLDS NUMBER, MAGNETOHYDRODYNAMICS, NONLINEAR PROBLEMS, SHOCK WAVES, SPATIAL DISTRIBUTION, TURBULENCE
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