LE CHAMP MAGNÉTIQUE DE LA COURONNE SOLAIRE

Jean-Jacques AlyAIM, CE Saclay

1. Le champ magnétique du soleil

• Processus dynamo dans la zone convective du soleil --> dynamo oscillante de période moyenne P=22 ans.

• Description théorique: transformation réciproque Bt <--> Bp du fait de la rotation différentielle (effet ) et de la convection turbulente (effet ). Effet possible de la circulation méridienne.

• Tubes toroidaux produits remontent à la surface (Archimède) et émergent dans la couronne. Trace des tubes visibles sur la photosphère (les plus gros = taches solaires).

• Effet essentiel du champ B dans la couronne: production de processus éruptifs à différentes échelles:– Petites échelles --> chauffage

général de la couronne (maintien de sa température à T=106 °K).

– Grandes échelles: libération d’une grande quantité d’énergie (jusqu’à 1032 ergs) sous différentes formes: éruptions solaires, éjections coronales de masse (1016g de matière éjectées à 350 km/s en moyenne), protubérances éruptives.

• Scénario standard pour un grand phénomène éruptif:

QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420

sont requis pour visionner cette image.

2. Problèmes traités• Phénomènes éruptifs: Approche analytique

– Formation de nappes de courant 3D dans un champ sans-force complexe en évolution (pb du chauffage).

– Evolution d’un champ sans-force à grande échelle, en essayant de répondre à la question suivante: Le champ B d’une région coronale qui reçoit en permanence de l’énergie à travers la photosphère peut-il être déstabilisé et s’ouvrir à grande vitesse, produisant ainsi une nappe de courant favorable au déclenchement d’un processus de reconnexion? (justification du scénario standard pour les grands phénomènes éruptifs).

• Phénomènes éruptifs: Approche numérique (en collaboration avec T. Amari, J.F. Luciani).– Mêmes questions.– Effets dynamiques et résistifs inclus (possibilité en particulier

d’étudier en détail les processus de reconnexion).

3. Phénomènes éruptifs à grande échelle: Résultats analytiques

• Modèle:– Couronne représentée soit par D={r>r0}, soit par D={z>0},

photosphère représentée par S =∂D.– Champ magnétique dans D: champ sans-force en évolution quasi-

statique (justifié par le fait que =p/B2<<1 et tev = L/V >> te=L/vA, où L= échelle spatiale de B, V = vitesse typique des mouvements sur S et vA= vitesse typique d’Alfven dans D).

– Plasma parfaitement conducteur (Rm=LV/ >> 1).

– Mouvements imposés sur S.

• Propriété générale importante de ce modèle: l’énergie magnétique ne peut jamais excéder une certaine limite déterminée par les conditions aux limites imposées.

• Exemple 1:– Hypothèses:

• B axisymétrique dans D ={r> r0}.• B initial: champ du type arcade potentielle.• Vitesse purement toroidale imposée sur S: .

– Deux phases dans l’évolution: phase calme, puis phase d’expansion rapide.

– Dans la phase calme, B croit linéairement avec t sur une ligne shearée. Mais pas de variation notable du champ poloidal. Croissance de l’énergie libre en t2.

– Dans la deuxième phase, l’expansion de la structure se fait au moins exponentiellement:

Par ailleurs B --> 0 et le champ s’ouvre, les courants se concentrant dans une nappe infiniment mince.

€

€

v = v(θ) ˆ ϕ

€

r0e(t /Ta )2 −1/ 2 ≤ r a (t).

• Exemple 2: tube de flux 3D twisté. Comportement identique à celui de l’arcade:

– Phase calme.– Expansion rapide.

• Limites du modèle:– Expansion très rapide --> approximation quasi-statique cesse

d’être valable. Nécessité alors de tenir compte des effets d’inertie. Mais ceci n’inclut pas de changements qualitatifs de l’évolution, seulement un ralentissement de l’expansion.

– Courants trop concentrés --> les effets résistifs doivent être pris en compte. Ces derniers permettent une reconnexion des lignes magnétiques et donc un changement important dans l’évolution. On peut modifier la théorie ci-dessus pour prévoir à partir de quel moment la reconnexion devient énergétiquement favorable et donc possible.

v

B

+

_v

S

D

•

•

4. Phénomènes éruptifs à grandes échelles: Simulations

• Utilisation du code de T. Amari et J. F. Luciani.• Résolution du système complet des équations de la MHD.• Etudes récentes:

– Evolution d’un champ dans un demi-espace D soumis sur S à des mouvements conduisant à une disparition de flux (mouvements réguliers convergeant vers une ligne neutre, mouvements turbulents qui génèrent une diffusion de Bz sur S). Cas 1 ci-après.

– Evolution d’un champ qui émerge dans D à travers S avec déjà des courants (par exemple, tube de flux twisté). Cas 2 ci-après.

• Dans tous les cas, on observe une évolution violente du système après une phase calme, et une libération d’énergie liée à un processus de reconnexion.

Amari, Luciani, Aly, Mikic & Linker 2003

Cas 1

Num. Simul. 3

Amari, Luciani & Aly 2005

Cas 2

5. Reconstruction du champ coronal

• B mesuré uniquement à la base de la couronne, où les magnétographes donnent ses trois composantes: Bobs.

• Problème: déterminer le champ B dans la couronne à partir de Bobs.

• Nécessité d’adopter un modèle pour B: en général, on suppose que B est sans force. Mais le problème est alors surdéterminé et n’a pas de solutions en général.

• On a alors au moins deux possibilités:– Soit on cherche un champ B sans force qui s’approche aussi

près que possible de Bobs au niveau photosphérique, par exemple au sens des moindres carrés (B minimize ).

€

B−BobsS

∫2ds

– Ou on ne tient compte que d’une partie des données, par exemple Bobs,z et obs. On a alors un problème qui peut être résolu par un schéma itératif classique (Grad-Rubin).

• Deuxième méthode retenue dans un calcul récent. Cas test:

Amari, Boulmezaoud & Aly 2006

Analytic solution Reconstruction

6. Remarque en guise de conclusion

• Les mécanismes physiques qui viennent d’être considérés sont sans doute importants pour comprendre un certains nombres d’autres systèmes astrophysiques qui possèdent une région dominée par le champ magnétique: – Couronnes des autres étoiles.

– Sous-orages magnétiques dans la queue de la magnétosphère terrestre.

– Magnétospheres des systèmes binaires proches contenant une naine blanche ---> synchronization de cette dernière.

– Magnétospheres des objets compacts entourés d’un disque d’accrétion.