LESIA - Observatoire de Paris

Vent solaire et milieu interplanétaire

jeudi 17 juillet 2014, par Karine Issautier

L’atmosphère externe du Soleil, appelée couronne, s’échappe en permanence vers l’espace interplanétaire sous la forme d’un vent : le vent solaire et la couronne sont des plasmas (gaz ionisé) composés principalement d’électrons et de protons. Le vent solaire est éjecté à une vitesse de 800 km/s (voire plus !). Ses caractéristiques changent au cours du cycle solaire de 11 ans. A grande échelle, le vent solaire peut être vu comme une « bulle » de plasma, soufflée par le Soleil : c’est l’héliosphère. La zone d’influence du soleil englobe tout le système solaire et s’étend bien au-delà de l’orbite de Pluton.

L’un des thèmes phares étudié par le pôle plasmas du LESIA est le vent solaire, des grandes aux petites échelles par l’observation, la théorie et la simulation numérique (voir ici les caractéristiques générales du vent solaire). Les études menées dans ce domaine ont déjà permis d’apporter des réponses fondamentales et d’améliorer notre compréhension dans les sujets de pointe tels que le chauffage de la couronne et l’accélération du vent solaire, l’échange d’énergie entre les échelles micro et macroscopique dans les milieux non collisionnels ou encore l’accélération de particules et les mécanismes d’émission radio. Les observations spatiales de l’héliosphère à partir de diagnostic local et à distance concernent respectivement les ondes électrostatiques et les émissions radio basses fréquences (≤15 MHz). Elles sont fondées sur l’expertise instrumentale du pôle plasmas du LESIA, qui consiste en la conception et réalisation de récepteurs d’onde radio à très faible bruit embarqués sur de nombreuses missions spatiales interplanétaires et planétaires en opérations (WIND, ULYSSE, CASSINI, CLUSTER II, STEREO), en construction (BEPI COLOMBO) et en phase de développement (SOLAR ORBITER, SOLAR PROBE PLUS). Théorie, modélisation et simulations numériques constituent des outils fondamentaux et transverses pour interpréter les phénomènes complexes rencontrés dans ces plasmas naturels et préparer le retour scientifique de ces missions spatiales. Parmi les nombreux travaux de simulations, citons les simulations numériques cinétiques de type Vlasov, particules tests et N-corps, et fluides.

Il semble maintenant clair que la stratégie pour répondre aux questions fondamentales sur le chauffage de la couronne et l’origine du vent solaire passe par une mission d’exploration des régions de l’héliosphère interne, aussi près que possible de la photosphère du Soleil. La prochaine étape sera SOLAR ORBITER dont le LESIA est responsable de l’instrument radio RPW. Cette mission permettra pour la première fois d’étudier la dynamique de la couronne solaire et l’héliosphère interne à une distance radiale de 50 rayons solaire ( 0.25 UA). L’orbite de Solar Orbiter rendra possible des périodes d’observation en phase avec la rotation solaire. Ceci permettra, pour la première fois, d’associer directement des observations à haute résolution spatiale d’évènements à la surface solaire et dans la couronne avec des mesures in situ dans le vent solaire.

Les propriétés du vent solaire à grande échelle et du milieu interplanétaire peuvent être étudiées au moyen de mesures in situ d’une part et à distance d’autre part. L’expertise du pôle sur la mesure des plasmas spatiaux et des poussières avec des récepteurs radio utilisant des antennes électriques est reconnue internationalement. Par ailleurs, le pôle plasmas du LESIA a initié et mis en oeuvre il y a plus de 25 ans une méthode de mesure in situ originale des plasmas spatiaux permettant un diagnostic précis du milieu. La technique de spectroscopie du bruit quasi-thermique (QTN) allie des concepts classiques de physique des plasmas à une maîtrise des récepteurs radio de haute sensibilité. Fondée sur cette technique et appliquée aux nombreuses données du milieu interplanétaire, la structure tridimensionnelle du vent solaire a été étudiée par la sonde Ulysse, et combinée aux mesures faites dans le plan de l’écliptique par Wind et récemment STEREO.

Par ailleurs, les caractéristiques des fonctions de distribution du vent solaire sont fondamentales pour discriminer les divers modèles proposés dans l’accélération du vent solaire. Inspiré par la présence de distributions électroniques non thermique dans le vent solaire, les modèles exosphériques ainsi que certaines simulations numériques supposent que de telles distributions sont déjà présentes dans la couronne solaire et ainsi sont capables d’expliquer les vitesses de vent rapide observées. L’évolution des distributions mesurées en fonction de la distance au soleil ont été étudiées à partir des sondes Helios, Ulysse et Wind. Cette étude donne des éléments de réponses quant à l’évolution des fonctions de distribution dans un milieu faiblement collisionnel. De plus, les interactions ondes/particules, fondamentales dans les processus de diffusion d’électrons, ont été mis en évidence pour la première fois par une analyse statistique de milliers de fonctions de distributions observées par Helios, Cluster et Ulysse dans le vent solaire. Malgré tout, il faudra attendre les premières mesures in situ dans l’atmosphère de notre étoile autour de 2020 avec la mission SOLAR PROBE PLUS pour mesurer directement la naissance du vent solaire dans la zone d’accélération de la couronne.

La radioastronomie est un outil primordial pour l’analyse à distance des plasmas naturels. Les ondes radio sont en effet la signature de processus plasma énergétiques (interactions ondes-particules ou ondes-ondes) observés dans divers contextes astrophysiques (par exemple, l’étude des gerbes cosmiques). Ces émissions radio basses fréquences sont produites sur une gamme étendue (de quelques kHz à quelques dizaines de MHz). L’envoi de récepteur radio dans l’espace permet de s’affranchir de la coupure ionosphérique à 10 MHz, et de sonder le milieu interplanétaire et les magnétosphères planétaires, et d’étudier les interaction vent solaire/planètes. Responsable international (PI) de l’instrument radio S/WAVES de la mission STEREO, lancée en 2006, le LESIA joue un rôle pionnier dans l’étude du milieu interplanétaire au moyen de la radioastronomie solaire. Les sursauts de types II et III sont les émissions radio solaires les plus fréquemment observées dans le milieu interplanétaire. Leur étude est l’un des objectifs de la mission STEREO (Bougeret et al., 2008). L’instrument S/WAVES offre dorénavant la possibilité de localiser, avec moins d’ambiguïté qu’auparavant, la position des sources radio solaires (Type II) qui sont parfois associées aux éjections de matière coronales et d’étudier la physique des éjections de matière coronales au cours du cycle solaire. Une partie de cette activité est directement liée à la thématique "perturbations héliosphériques et météorologie de l’espace".

Enfin, la compréhension des mécanismes de transfert d’énergie multi-échelles dans les milieux non collisionnels, tel que le vent solaire, le couplage d’ondes nécessite des mesures in situ des champs électriques et magnétiques ainsi que de fournir les caractéristiques des particules. Compte tenu des faibles taux de télémétrie, les missions actuelles ne fournissent que quelques secondes de données par jour. Il est donc nécessaire de repousser les limites des instruments actuels. Rappelons que des mesures radio (in situ ou à distance) dans le vent solaire sont rares et ne se font que grâce à WIND et STEREO. Le pôle plasmas du LESIA s’implique donc sur toute mission spécifiquement dédiée à des mesures in situ en fournissant des récepteurs radio optimisés pour l’étude des processus physiques de dissipation de l’énergie, les mécanismes responsables de la formation de structures cohérentes, ainsi que les interactions multi-échelles. Parmi les processus multi-échelles, notons par exemple les chocs, la reconnexion, et la turbulence. L’universalité de ces structures présente des défis nouveaux à la communauté des plasmas spatiaux plus généralement.

Thèses de doctorat soutenues ou en cours dans cette thématique
Simone Landi Soutenue en 2001 Modèles cinétiques du vent solaire
Iannis Zouganelis Soutenue en 2005 Physique du vent solaire : modèles cinétiques et distributions non thermiques
Olga Alexandrova Soutenue en 2005 Turbulence MHD dans la magnétogaine terrestre en aval des chocs quasi-perpendiculaires
Xavier Bonnin Soutenue en 2008 Etude stéréoscopique de la directivité des sursauts radio solaires de type III aux fréquences inférieures à 10 MHz
Arnaud Beck Soutenue en 2008 Simulation N-Corps d’un Plasma
Stepan Štverák Soutenue en 2009 Étude du caractère non-thermique des fonctions de distributions électroniques du vent solaire
Pierre Henri Soutenue en 2010 De Vlasov à STEREO : couplages non-linéaires dans le vent solaire
Gaétan Le Chat Soutenue en 2010 Etude du vent solaire à grande échelle
Sonja Vidojevic Soutenue en 2012 Etude des émissions radio solaires de type III avec les sondes WIND et STEREO
Vratislav Krupar Soutenue en 2012 Etude stéréoscopique des émissions radio solaires avec l’instrument S/WAVES embarqué sur les sondes STEREO
Soraya Belheouane Soutenue en 2014 Nano-particules dans le milieu interplanétaire : observations spatiales et théorie
Sonny Lion En cours depuis 2013 Etude de la turbulence dans le vent solaire avec des sondes STEREO
Mihailo Martinovic En cours depuis 2014 Spectroscopie du bruit électrostatique quasi-thermique dans les plasmas spatiaux

Chercheurs impliqués dans cette thématique :

  • O. Alexandrova
  • J.-L. Bougeret
  • C. Briand
  • B. Cecconi
  • K. Issautier
  • S. Hoang
  • C. Lacombe
  • M. Maksimovic
  • N. Meyer-Vernet
  • M. Moncuquet
  • F. Pantellini
  • A. Zaslavsky

Documents à télécharger

  • Chapître 1 extrait du livre "Basics of the Solar Wind" par N. Meyer-Vernet, 2007, Cambridge University Press