Le vent solaire: un laboratoire de la turbulence

Le vent solaire est un flux continu de plasma éjecté de la couronne solaire chaude qui se répand dans l'ensemble de l'héliosphère. Au cours de son expansion, le vent solaire prend un caractère turbulent qui évolue vers un état ressemblant à des turbulences hydrodynamiques, décrit par la théorie de Kolmogorov.

Cependant, le champ magnétique a des effets non évidents sur la dynamique de la turbulence. À cause du fort champ magnétique porté par le vent solaire, les fluctuations de basse fréquence sont mieux décrites dans le cadre physique-mathématique de la MHD. Des analogies intéressantes émergent également entre les turbulences fluides et MHD.

Dans le cadre du projet SOLWINDCAS (Cascade rates of magnetohydrodynamic turbulence in the solar wind), financé par l'UE, des scientifiques ont exploré une méthode alternative pour décrire la cascade d'énergie turbulente: la loi de Yaglom pour les turbulences MHD.

Les scientifiques du projet SOLWINDCAS ont démontré la loi de Yaglom pour la cascade d'énergie turbulente MHD dans un vent solaire qui se répand de manière uniforme. Leur analyse théorique était basée sur un modèle de diffusion à l'échelle deux des turbulences MHD et a abouti à l'ajout de deux nouveaux termes pour la loi de Yaglom.

Le premier terme apparaissant dans la loi de Yaglom est lié au déclin de l'énergie de turbulence MHD lié à des interactions non-linéaires. Le second terme est causé par l'interaction entre des champs magnétiques de grande échelle et des ondes d'Alfvén de petite échelle qui se propagent vers l'intérieur et vers l'extérieur.

En utilisant les mesures de champ magnétique et de plasma des sondes spatiales WIND et Helios 2, les scientifiques ont montré qu'à basses fréquences, ces termes deviennent comparables au moment mixte d'ordre 3 de la loi de Yaglom. Par conséquent, ils doivent être pris en compte dans l'estimation du niveau de la cascade d'énergie dans le vent solaire.

Ensuite, le projet SOLWINDCAS s'est concentré sur l'énergie résiduelle négative dans le vent solaire turbulent. Précisément, les mesures in situ des fluctuations de flux de vent solaire montrent que l'énergie des fluctuations de champ magnétique est supérieure à l'énergie cinétique. Des simulations numériques montrent le même comportement.

Les résultats de l'analyse théorique décrivent pour la première fois comment de l'énergie résiduelle négative résulte des fortes turbulences MHD. Même si l'énergie résiduelle est initialement absente, de l'énergie résiduelle négative sera toujours générée par des ondes d'Alfvén interagissant de manière non linéaire.

Le projet SOLWINDCAS a fourni une explication solide des propriétés observées du vent solaire et des simulations numériques des turbulences MHD. Le vent solaire a fourni un laboratoire naturel pour tester les théories et améliorer la compréhension actuelle des turbulences MHD qui émerge également dans des applications pratiques, comme les dispositifs de confinement de plasma.