Signatures and models of small-scale turbulent coronal heating
Signatures et modélisations du chauffage coronal turbulent à micro-échelles
Résumé
In solar physics, the complexity and small scales generated by magnetohydrodynamic (MHD) turbulence suggest to tackle the problem of the heating of the corona using statistics. We use therefore spectra of the fields, distributions of probability of structures or events, and structure functions, to analyze observations and numerical simulations, and to detect common signatures of turbulence, intermittency, and small-scale heating.
Our numerical simulations model a coronal magnetic loop, which is excited by the motions of the photosphere, and in which non-linearly interacting Alfvén waves propagate. As we need statistics, we need to simplify these interactions: we have chosen to model these interactions by cellular automata on one hand, and then by shell-models on the other hand. The results of these loop models are consistent with observations, and allow to understand some observational effects. Furthermore, signatures of intermittency can be found in the shell-model-based model, which includes a better representation of the non-linear terms of MHD than the cellular automata model. The analysis of these models and of their parametric behavior gives some information on the heating mechanisms in the corona and some clues about the interpretation of observations.
We also analyze the intensity and velocity fields observed in 1996 on the quiet Sun with the SoHO/SUMER spectrograph. The statistics of these fields (mainly the intensity field, as the velocity field is regrettably too noisy) acquaint us with the turbulent nature of the corona and with its intermittency.
The discrepancy between the distributions of events observed by different authors in the corona leads us finally to interest ourselves to the different possible definitions of an event. We give a comprehensive set of such definitions and we compare them, using lowly and highly intermittent signals.
Our numerical simulations model a coronal magnetic loop, which is excited by the motions of the photosphere, and in which non-linearly interacting Alfvén waves propagate. As we need statistics, we need to simplify these interactions: we have chosen to model these interactions by cellular automata on one hand, and then by shell-models on the other hand. The results of these loop models are consistent with observations, and allow to understand some observational effects. Furthermore, signatures of intermittency can be found in the shell-model-based model, which includes a better representation of the non-linear terms of MHD than the cellular automata model. The analysis of these models and of their parametric behavior gives some information on the heating mechanisms in the corona and some clues about the interpretation of observations.
We also analyze the intensity and velocity fields observed in 1996 on the quiet Sun with the SoHO/SUMER spectrograph. The statistics of these fields (mainly the intensity field, as the velocity field is regrettably too noisy) acquaint us with the turbulent nature of the corona and with its intermittency.
The discrepancy between the distributions of events observed by different authors in the corona leads us finally to interest ourselves to the different possible definitions of an event. We give a comprehensive set of such definitions and we compare them, using lowly and highly intermittent signals.
Dans le contexte de la physique solaire, la complexité de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD) et les très petites échelles qu'elle génère nous suggèrent d'aborder le problème du chauffage de la couronne solaire d'une manière statistique. Nous utilisons donc les spectres des champs, les densités de probabilité de structures ou d'événements, ainsi que les fonctions de structure, pour analyser des observations et des simulations numériques, et y détecter des signatures communes de turbulence, d'intermittence, et de chauffage aux petites échelles.
Nos simulations numériques modélisent une boucle magnétique de la couronne du Soleil, excitée par les mouvements photosphériques et dans laquelle se propagent des ondes d'Alfvén, qui interagissent entre elles non-linéairement. Le besoin de statistiques impose à ces interactions d'être simplifiées: nous avons choisi de les modéliser par des automates cellulaires dans un premier temps, puis par des shell-models. Les résultats de ces modèles de boucles sont en accord avec les observations, et permettent de comprendre certains effets observationnels. De plus, le modèle basé sur les shell-models, qui comprend une meilleure représentation des termes non-linéaires de la MHD que l'automate cellulaire, montre des signes d'intermittence. L'analyse de ces modèles et de leur comportement en fonction de leurs paramètres donne des informations sur les mécanismes de chauffage de la couronne et des indices sur l'interprétation des observations.
Nous exploitons ensuite les champs d'intensité et de vitesse observés par le spectrographe SoHO/SUMER en 1996 dans le Soleil calme. Les statistiques des ces champs, notamment du champ d'intensité (le champ de vitesse étant malheureusement trop bruité) nous informent sur la nature turbulente de la couronne et sur son intermittence.
Les écarts entre les estimations par différents auteurs des distributions d'événements observés dans la couronne nous conduisent enfin à nous intéresser aux définitions possibles d'un événement. Après avoir clairement exposé ces définitions, nous les comparons, en utilisant des signaux d'intermittence plus ou moins forte.
Nos simulations numériques modélisent une boucle magnétique de la couronne du Soleil, excitée par les mouvements photosphériques et dans laquelle se propagent des ondes d'Alfvén, qui interagissent entre elles non-linéairement. Le besoin de statistiques impose à ces interactions d'être simplifiées: nous avons choisi de les modéliser par des automates cellulaires dans un premier temps, puis par des shell-models. Les résultats de ces modèles de boucles sont en accord avec les observations, et permettent de comprendre certains effets observationnels. De plus, le modèle basé sur les shell-models, qui comprend une meilleure représentation des termes non-linéaires de la MHD que l'automate cellulaire, montre des signes d'intermittence. L'analyse de ces modèles et de leur comportement en fonction de leurs paramètres donne des informations sur les mécanismes de chauffage de la couronne et des indices sur l'interprétation des observations.
Nous exploitons ensuite les champs d'intensité et de vitesse observés par le spectrographe SoHO/SUMER en 1996 dans le Soleil calme. Les statistiques des ces champs, notamment du champ d'intensité (le champ de vitesse étant malheureusement trop bruité) nous informent sur la nature turbulente de la couronne et sur son intermittence.
Les écarts entre les estimations par différents auteurs des distributions d'événements observés dans la couronne nous conduisent enfin à nous intéresser aux définitions possibles d'un événement. Après avoir clairement exposé ces définitions, nous les comparons, en utilisant des signaux d'intermittence plus ou moins forte.