Dynamics of the transition corona and solar wind generation
Dynamique de la couronne de transition et génération du vent solaire
Résumé
In a rich programmatic context with the launch of Parker Solar Probe in 2018 and Solar Orbiter in 2020, the fundamental question of the coronal origin of the solar wind is at the heart of the scientific issues of the solar and heliospheric community.The solar corona is structured by the magnetic field, which is divided into closed loops connecting the solar surface and open field with one foot anchored to the surface and the other extending into the heliosphere. The interface between open and closed fields constitutes a particular zone favorable to the development of so-called interchange magnetic reconnection, which dynamically exchanges magnetic connectivity between open and closed fields. This exchange of connectivity allows the restructuring of the large-scale coronal magnetic field and the release along newly opened lines of the plasma initially confined in the closed corona. Interchange reconnection is thus one of the theories explaining the generation of slow solar wind, one of the two categories of solar wind defined by observations. The slow wind, highly variable, is composed of plasma with typical properties of the closed lower corona, in contrast to the fast, regular wind that has the properties of open magnetic field regions. Among the potential origins of the slow wind, several EUV and X-ray observations associated with the coronal magnetic field extrapolated from observational magnetograms link the slow wind with pseudo-streamer structures. These magnetic structures are frequently observed in the corona during periods of maximum solar activity. Their magnetic topology, formed by closed magnetic field bordered by open magnetic field, makes them ideal structures for interchange reconnection models.The work carried out in this thesis aims to develop a dynamic model of interchange reconnection within a pseudo-streamer. It provides a description of the fine dynamics of the coronal magnetic field in these structures through 3D numerical simulations of the entire solar corona. The code used, ARMS, is an adaptive mesh refinement code that solves the 3D magnetohydrodynamic equations for hydrogen plasma. By precisely analyzing the connectivity state of hundreds of magnetic field lines at each time step of the simulation, I identified several scenarios of opening the coronal closed field that could contribute to the variability of the slow wind. I distinguish in particular a one-step scenario where interchange reconnection takes place within the pseudo-streamer, from a two-step scenario initiated by an interaction between pseudo-streamer and helmet streamer, a permanent coronal structure, followed by an opening by interchange reconnection at the apex of the helmet streamer. These scenario differences suggest differences in the properties of the wind generated by these magnetic reconnections. By analyzing the properties of the plasma along open magnetic field lines by interchange reconnection, I identified and characterized streams of plasma injected into the heliosphere. I observed magnetic field lines with plasma flows and others without. These results show that interchange reconnection does not systematically guarantee the injection of plasma into the heliosphere, i.e., the generation of slow wind. The extension of this study may provide identifiable constraints in EUV observations and in situ measurements to provide new arguments in favor of the interchange reconnection model for the generation of slow solar wind and thus improve its understanding.
Dans un contexte programmatique riche avec le lancement de Parker Solar Probe en 2018 et celui de Solar Orbiter en 2020, la question fondamentale de l’origine coronale du vent solaire est au cœur des problématiques scientifiques de la communauté solaire et héliosphérique.La couronne solaire est structurée par le champ magnétique qui se décline en champ fermé, formant des boucles connectant la surface solaire, et en champ ouvert avec un pieds ancré à la surface et l’autre s’étendant dans l’héliosphère. L’interface entre les champs ouverts et les champs fermés constitue une zone particulière favorable au développement de la reconnexion magnétique dite d’interchange, qui échange dynamiquement la connectivité magnétique entre le champ ouvert et le champ fermé. Cet échange de connectivité permet de restructurer le champ magnétique coronal à grande échelle et de laisser s’échapper le long des lignes nouvellement ouvertes, le plasma initialement confiné dans la couronne fermée. La reconnexion d’interchange est à ce titre l’une des théories expliquant la génération du vent solaire lent, l’une des deux catégories de vent solaire définies par les observations. Le vent lent, très variable, est composé d’un plasma aux propriétés typiques de la basse couronne fermée, à l’inverse du vent rapide, régulier, qui possède les propriétés des régions de champ magnétique ouvert. Parmi les origines potentielles du vent lent, plusieurs observations EUV et rayons X associées au champ magnétique coronal extrapolé à partir de magnétogrammes observationnels associent le vent lent avec les structures de pseudo-streamer. Ces structures magnétiques sont fréquemment observées dans la couronne lors des phases d'activité solaire maximale. Leur topologie magnétique formée de champ magnétique fermé bordé de champ magnétique ouvert en fait des structures idéales pour les modèles de reconnexion d'interchange. Le travail mené dans cette thèse vise à développer un modèle dynamique de reconnexion d’interchange au sein d’un pseudo-streamer. Elle apporte une description de la dynamique fine du champ magnétique coronal dans ces structures grâce à des simulations numériques 3D de la couronne pour un soleil entier. Le code utilisé, ARMS, est un code à raffinement de maille adaptatif qui résout les équations de la magnétohydrodynamique 3D pour un plasma d’hydrogène. En analysant précisément l’état de connectivité de centaines de lignes de champ magnétique à chaque pas de temps de la simulation, j’ai identifié plusieurs scénarios d’ouverture du champ fermé coronal susceptibles de participer à la variabilité du vent lent. Je distingue notamment un scénario en une étape où la reconnexion d’interchange a lieu au sein du pseudo-streamer, d’avec un scénario en deux étapes initié par une interaction entre pseudo-streamer et helmet streamer, une structure coronale permanente, suivie d’une ouverture par reconnexion d’interchange à l’apex du helmet streamer. Ces différences de scénario suggèrent des différences dans les propriétés du vent généré par ces reconnexions magnétiques. En analysant les propriétés du plasma le long des lignes de champ magnétique ouvertes par reconnexion d'interchange j’ai identifié et caractérisé des flots de plasma injectés dans l'héliosphère. J’ai observé ainsi des lignes de champ magnétique présentant des flots de plasma et d’autres n’en présentant pas. Ces résultats montrent que la reconnexion d’interchange ne garantit pas systématiquement l’injection de plasma dans l’héliosphère, c’est-à-dire de la génération de vent lent. L’extension de cette étude pourra permettre d'apporter des contraintes identifiables dans les observations EUV et mesures in situ afin d'apporter de nouveaux arguments en faveur du modèle de reconnexion d'interchange pour la génération du vent solaire lent, et ainsi d'en améliorer sa compréhension.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|