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Posté par Adrien le Mercredi 31/01/2018 à 00:00
Turbulence plasma dans la magnétogaine terrestre
En utilisant des modèles théoriques récents développés au Laboratoire de physique des plasmas (LPP) et les mesures insitu des sondes spatiales Cluster et Themis dans lesquelles le LPP est fortement impliqué, des scientifiques ont obtenu la première estimation du taux de dissipation d'énergie dans la magnétogaine, une région clé de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...) près de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...). Les valeurs trouvées sont au moins 100 supérieures à celles obtenues dans le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le...). Ces phénomènes de turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire :...) et de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) sont à l'oeuvre dans des milieux astrophysiques (notamment la couronne solaire). Ces résultats ont été publiés dans la revue Physical Research Letters, le 29 janvier 2018.

Le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) solaire est un plasma supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) (flux de particules chargées principalement des protons et des électrons) qui est continuellement émis par le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...). Le vent se propage dans le milieu interplanétaire et interagit avec les planètes du système solaire. Pour les planètes pourvues d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique intrinsèque, une magnétosphère se forme autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la planète et agit comme un obstacle s'opposant à l'écoulement du vent solaire. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) vent solaire-magnétosphère génère alors une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors souvent créée...), suivie d'une région très turbulente appelée magnétogaine dans laquelle le vent solaire ralentit, devient plus dense et plus chaud (Figure 1). La turbulence plasma dans le magnétogaine est considérée comme un ingrédient clé pour comprendre les transferts d'énergie et la pénétration des particules du vent solaire dans la magnétosphère, processus responsables de plusieurs phénomènes dynamiques tels que les aurores polaires.


Figure 1: Gauche: image montrant l'interaction du vent solaire avec la magnétosphère ; Droite:©JamesBurch- différentes régions clefs résultant de cette interaction, dont la magnétogaine (objet de cette étude). ©SOHO/LASCO/EIT NASA, ESA

Malgré plusieurs décennies de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) sur la turbulence plasma dans la magnétogaine, plusieurs de ses propriétés fondamentales demeurent méconnues. Une de ces inconnues est le taux moyen avec lequel l'énergie est dissipée dans le milieu. Dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) (air, eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle 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 et 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 (cf. chauffage de la couronne solaire (La couronne solaire est la partie de l'atmosphère du Soleil située au-delà de la chromosphère et qui s'étend sur des millions de...), accélération des rayons cosmiques)


Figure 2: Vue (simplifiée) du processus de cascade turbulence d'énergie des larges échelles (d'injection) jusqu'aux petites échelles (de dissipation) avec un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie,...) constant.

Dans l'article Hadid et al., les auteurs ont réalisé des progrès significatifs dans la compréhension de la turbulence dans la magnétogaine terrestre en obtenant la première estimation du taux de dissipation de l'énergie. En raison de la nature complexe de cette turbulence et de l'importance des fluctuations de densité (c'est à dire une plasma fortement compressible), il n'était pas possible jusque-là d'obtenir cette estimation en utilisant le modèle de turbulence incompressible largement utilisé dans le solaire vent. De nouveaux modèles théoriques plus complets - basés sur la magnétohydrodynamique ont été développés récemment au LPP pour remédier à cette lacune et pouvoir décrire la turbulence dans les plasmas astrophysiques où les effets de la compressibilité et d'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la...) sont importants. L'application de ces modèles à un large échantillon de données venant des sondes spatiales ESA/Cluster et NASA/Themis dans la magnétogaine terrestre ont permis d'obtenir le 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec...), où les mesures in-situ sont rares ou inexistantes (Figure 3). Les processus par lesquels l'énergie de la turbulence est dissipée restent une question ouverte à laquelle les travaux futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) tenteront de répondre.


Figure 3: Vue d'artiste de la frontière du système solaire et son interaction avec le vent stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90...). Ce système est très analogue à celui de Figure 1 (avec notamment la formation de l'héliogaine, région fortement turbulente). © NASA

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Source: CNRS-INSU