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Quand le vent solaire rencontre le champ magnétique terrestre

Publiés le 29 janvier 2018 dans la revue Physical Review Letters, les travaux de chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas (LPP) ont amélioré la compréhension de la turbulence de la magnétogaine, une région clé de l'environnement plasma près de la Terre.

 
©SOHO/LASCO/EIT NASA, ESA

La turbulence plasma

Le vent solaire est un flux de particules chargées, un plasma, qui est émis par le soleil et s’intensifie lors des éruptions solaires. Il se propage dans le milieu interstellaire à une vitesse supersonique et interagit avec tous les obstacles qui se trouvent sur son passage. Au voisinage de la terre, ou de toute autre planète pourvue d’un champ magnétique, ce vent rencontre une magnétosphère qui forme un bouclier autour de la planète. Cette rencontre engendre une onde de choc, immédiatement suivie d’une région très turbulente dans laquelle le vent solaire ralentit: la magnétogaine.

Vue d’artiste de la frontière du système solaire et son interaction avec le vent stellaire. © NASA

La turbulence plasma de la magnétogaine est considérée comme un ingrédient clé pour comprendre les transferts d’énergie et la pénétration des particules du vent solaire dans la magnétosphère. Pour notre planète, ces processus sont responsables de plusieurs phénomènes, tels que les aurores polaires ou les perturbations des satellites artificiels.

Mieux comprendre les mécanismes qui régissent la magnétogaine

Cette turbulence est étudiée depuis plusieurs décennies mais il reste encore de nombreux mystères à découvrir sur leurs propriétés fondamentales. Ainsi, le taux moyen avec lequel l’énergie est dissipée dans le milieu – un paramètre qui se traduit pour les plasmas par un chauffage ou une accélération des particules (voir encadré) – restait jusqu’alors inconnu. En effet, en raison de la nature complexe de cette turbulence et de l'importance des fluctuations de densité, il n’était pas possible jusque-là d’utiliser le modèle largement répandu de turbulence incompressible afin d’obtenir cette donnée.

Dans l’article issu des travaux de thèse de Lina Hadid et des chercheurs du LPP (une UMR École polytechnique, CNRS, Sorbonne Université, Paris-Sud, Observatoire de Paris), les auteurs ont utilisé des modèles théoriques développés récemment au LPP et les mesures in situ des sondes spatiales Cluster et Themis - dans lesquelles le LPP est fortement impliqué - afin d’obtenir la première estimation du taux de dissipation de l’énergie.

Les valeurs trouvées sont aux moins deux ordres de grandeurs plus élevées que celles déjà estimées dans le vent solaire, à cause notamment des fortes amplitudes des fluctuations magnétiques et de densité dans la magnétogaine. Le travail a permis aussi d’obtenir une première loi empirique qui relie le taux de dissipation d’énergie au nombre de Mach turbulent. Si cette loi est universelle, elle pourrait être appliquée à des milieux astrophysiques plus lointains, tels que les magnétosphères d'autres planètes ou le milieu interstellaire dans lesquels les mesures in-situ sont rares ou inexistantes. Les processus par lesquels l’énergie de la turbulence est dissipée restent une question ouverte à laquelle les travaux futurs tenteront de répondre.

Lina Hadid poursuit actuellement ses travaux de recherche à l'Institut Suédois de la Physique de l’Espace (IRF) en lien avec son directeur de thèse Fouad Sahraoui, directeur de recherches CNRS au LPP.

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Pour en savoir plus : Collision de vortex et dissipation d’énergie
Dans un fluide turbulent (air, eau dans une rivière), des gros vortex de taille voisine collisionnent entre eux, se fragmentent et créent des vortex de plus petite taille jusqu’à atteindre des échelles encore plus petites où l’énergie cinétique des vortex est convertie en chaleur (dissipation). Le taux par lequel cette dissipation se fait est le même que celui avec lequel l’énergie des gros vortex est transférée aux plus petits (Figure 2). Dans la magnétogaine, cette cascade peut couvrir des échelles allant de 100 000 km à 1km. A la différence des fluides neutres, dans les plasmas l’énergie mise en jeu est celle des champs électrique et magnétique. Sa dissipation (ou conversion) se traduit par un chauffage ou une accélération des particules du plasma. Ces processus se produisent dans beaucoup de plasmas astrophysiques et engendrent le chauffage de la couronne solaire ou encore l’accélération des rayons cosmiques.

Vue simplifiée du processus de cascade turbulence d’énergie des larges échelles (d’injection) jusqu’aux petites échelles (de dissipation) avec un flux constant.