Turbulence Et Structures Dans Le Vent Solaire PDF Download
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Author: Luca Marradi
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 163
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Book Description
Two specific aspects of solar wind turbulence at scales comparable with the ion Larmor radius were considered : anisotropic plasma heating, and the electromagnetic spectral properties of the turbulent cascade in the direction perpendicular to the ambient magnetic field. These problems were studied by means of one-dimensional numerical simulations with two different methods : a FLR-Landau fluid (FLR-LF) model that extends anisotropic magnetohydrodynamics by retaining low-frequency kinetic effects such as Landau damping and finite Larmor radius corrections, and a hybrid Vlasov code in 1d-3V phase space dimensions (HV). Preliminary investigations were performed in the context of compressible Hall-MHD that demonstrated a possible Alfvén wave cascade in the parallel direction at scales smaller than the ion inertial length. Simulations of the FLR-LF model in quasi-perpendicular directions with a random forcing aiming at mimicking the tail of the Alfvén cascade show a non-resonant ion perpendicular heating and the development of the mirror instability which constraints the system to remain near instability threshold. The FLR-LF model has been extended to include the effect of a weak amount of collisions described by a BGK operator. Simulations including collisions show a very good agreement with satellite data. We also performed simulations with the HV code where a forcing on the electric fields code was introduced. These simulations showed the generation of a power-law spectrum with slope -5/3 at scales larger than the ion skin depth, and slope -7/3 in the short wavelengths range, together with the formation of "perpendicular shocks" and magnetic holes.
Author: Luca Marradi
Publisher:
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Category :
Languages : en
Pages : 163
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Book Description
Two specific aspects of solar wind turbulence at scales comparable with the ion Larmor radius were considered : anisotropic plasma heating, and the electromagnetic spectral properties of the turbulent cascade in the direction perpendicular to the ambient magnetic field. These problems were studied by means of one-dimensional numerical simulations with two different methods : a FLR-Landau fluid (FLR-LF) model that extends anisotropic magnetohydrodynamics by retaining low-frequency kinetic effects such as Landau damping and finite Larmor radius corrections, and a hybrid Vlasov code in 1d-3V phase space dimensions (HV). Preliminary investigations were performed in the context of compressible Hall-MHD that demonstrated a possible Alfvén wave cascade in the parallel direction at scales smaller than the ion inertial length. Simulations of the FLR-LF model in quasi-perpendicular directions with a random forcing aiming at mimicking the tail of the Alfvén cascade show a non-resonant ion perpendicular heating and the development of the mirror instability which constraints the system to remain near instability threshold. The FLR-LF model has been extended to include the effect of a weak amount of collisions described by a BGK operator. Simulations including collisions show a very good agreement with satellite data. We also performed simulations with the HV code where a forcing on the electric fields code was introduced. These simulations showed the generation of a power-law spectrum with slope -5/3 at scales larger than the ion skin depth, and slope -7/3 in the short wavelengths range, together with the formation of "perpendicular shocks" and magnetic holes.
Author: C.-Y. Tu
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 9401585415
Category : Science
Languages : en
Pages : 214
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Book Description
This is the first book to give a comprehensive overview of recent observational and theoretical results on solar wind structures and fluctuations and magnetohydrodynamic waves and turbulence, preference being given to phenomena in the inner heliosphere. Emphasis is placed on the progress made in the past decade in the understanding of the nature and origin of especially small-scale, compressible and incompressible fluctuations. Turbulence models describing the spatial transport and spectral transfer of the fluctuations in the inner heliosphere are discussed. Intermittency of solar wind fluctuations and their statistical distributions are investigated. Studies of the heating and acceleration effects of the turbulence on the background wind are critically surveyed. Finally, open questions concerning the origin, nature and evolution of the fluctuations are listed, and perspectives for future research are outlined. The book is for graduate students and researchers in the field. Other target groups are scientists and professionals interested in space plasma physics and/or MHD turbulence.
Author: Romain Meyrand
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
La turbulence tridimensionnelle se caractérise par sa capacité à transférer de l'énergie des grandes vers les petites échelles où elle est finalement dissipée. Lorsqu'elle se produit dans un plasma non-collisionnel comme le vent solaire, une modélisation cinétique semble a priori nécessaire. Toutefois, la complexité d'une telle approche limite les développements théoriques et condamne les expériences numériques à se restreindre à des nombres de Reynolds peu élevés. Dans quelles mesures un modèle mono-fluide comme la MHD Hall permet-il de rendre compte des phénomènes observés dans le vent solaire aux échelles sub-ioniques ? C'est la problématique à laquelle s'est attaquée cette thèse. L'idée directrice de ce travail est de tirer profit de la relative simplicité des modèles fluides et de la puissance algorithmique des méthodes pseudo-spectrales pour aborder la turbulence du vent solaire par des simulations numériques directes tridimensionnelles massivement parallèles à grands nombres de Reynolds. Ces simulations numériques ont permis de mettre en évidence l'existence d'une brisure spontanée de symétrie chirale en turbulence MHD Hall incompressible, ainsi que l'existence d'un nouveau régime appelé ion MHD (IMHD). Un modèle phénoménologique a été proposé pour rendre compte de ces résultats et de nouvelles prédictions ont été faites, puis confirmées numériquement. Enfin, l'étude de l'effet d'un fort champ magnétique uniforme sur la dynamique turbulente a permis de confirmer pour la première fois une ancienne conjecture. L'inertie des électrons a ensuite été prise en compte toujours dans un modèle fluide. Par une approche hydrodynamique classique, une loi universelle a été obtenue pour les fonctions de structure d'ordre trois. L'ensemble de ces résultats est qualitativement en accord avec les mesures in situ du vent solaire et remet en cause le paradigme selon lequel les raidissements successifs du spectre des fluctuations magnétiques sont provoqués nécessairement par des phénomènes d'origine cinétique. De manière plus générale, cette thèse soulève des questions fondamentales sur les processus non-collisionnels de dissipation dans les plasmas turbulents.
Author: Roberto Bruno
Publisher: Springer
ISBN: 3319434403
Category : Science
Languages : en
Pages : 270
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Book Description
This book provides an overview of solar wind turbulence from both the theoretical and observational perspective. It argues that the interplanetary medium offers the best opportunity to directly study turbulent fluctuations in collisionless plasmas. In fact, during expansion, the solar wind evolves towards a state characterized by large-amplitude fluctuations in all observed parameters, which resembles, at least at large scales, the well-known hydrodynamic turbulence. This text starts with historical references to past observations and experiments on turbulent flows. It then introduces the Navier-Stokes equations for a magnetized plasma whose low-frequency turbulence evolution is described within the framework of the MHD approximation. It also considers the scaling of plasma and magnetic field fluctuations and the study of nonlinear energy cascades within the same framework. It reports observations of turbulence in the ecliptic and at high latitude, treating Alfvénic and compressive fluctuations separately in order to explain the transport of mass, momentum and energy during the expansion. Further, existing models are compared with direct observations in the heliosphere. The problem of self-similar and anomalous fluctuations in the solar wind is then addressed using tools provided by dynamical system theory and discussed on the basis of available models and observations. The book highlights observations of Yaglom’s law in solar wind turbulence, which is one of the most important findings in fully developed turbulence and directly related to the long-lasting and still unsolved problem of solar wind plasma heating. Lastly, it includes a short chapter dedicated to the kinetic range of fluctuations, which has recently been receiving more attention from the space plasma community, since this is inherently related to turbulent energy dissipation and consequent plasma heating. It particularly focuses on the nature and role of the fluctuations populating this frequency range, and discusses several model predictions and recent observational findings in this context.
Author: Munehito Shoda
Publisher: Springer Nature
ISBN: 9811610304
Category : Science
Languages : en
Pages : 94
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Book Description
This book discusses key theoretical aspects concerning the formation of the solar wind: the most essential building block in the heliosphere, in which planets orbit. To understand the influence of solar activity on planetary magnetospheres and atmospheres, we need to first understand the origin of the solar wind, which is still under debate. This book presents the outcomes of state-of-the-art numerical simulations of solar wind acceleration, including the first three-dimensional simulation of the turbulence-driven solar wind model. One of the book’s goals is to include compressional effects in the dynamics of solar wind turbulence; accordingly, it discusses parametric decay instability in detail. Several key aspects that are relevant to the Parker Solar Probe observations are also discussed. Given its scope, the book plays a key role in bridging the gap between the theory of magnetohydrodynamic turbulence and current/future in-situ observations of the solar wind. This book is based on the Ph.D. thesis by the author, which won the 2019 International Astronomical Union Division E Ph.D. prize.
Author: SEBASTIEN.. GALTIER
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 304
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Book Description
LES OBSERVATIONS DU VENT SOLAIRE, DU SOLEIL ET DU MILIEU INTERSTELLAIRE NOUS MONTRENT DES MILIEUX COMPLEXES OU LE CHAMP MAGNETIQUE A UN ROLE DYNAMIQUE ET OU DE MULTIPLES STRUCTURES INTERAGISSENT. CETTE THESE CONTRIBUE A UNE ETUDE THEORIQUE, PHENOMENOLOGIQUE ET NUMERIQUE DE LA TURBULENCE MHD EN SE PLACANT DANS CE CONTEXTE OBSERVATIONNEL. ON MONTRE, GRACE A UN MODELE MHD UNIDIMENSIONEL, QUE C'EST LA SUPERPOSITION D'UNE MULTITUDE D'EVENEMENTS DISRUPTIFS, LIES A L'INTERMITTENCE DE LA DISSIPATION JOULE, QUI PERMET D'EXPLIQUER LES HISTOGRAMMES EN LOIS DE PUISSANCE DES PICS DE LUMINOSITE OBSERVES EN RAYONS X. UNE INTERPRETATION DE LA STRUCTURE THERMIQUE DES BOUCLES CORONALES SOLAIRES EN REPONSE AU CHAUFFAGE DISSIPATIF ISSU DE CE MODELE MHD EST AUSSI PROPOSEE. ENFIN, UNE ETUDE DES SOLUTIONS EXACTES D'UN SYSTEME MHD DE DIMENSION UN OFFRE UNE MEILLEURE COMPREHENSION DES CHOCS, NOMBREUX DANS L'HELIOSPHERE, EN IDENTIFIANT PRECISEMENT LES STRUCTURES QUI EMERGENT. D'AUTRE PART, ON DEVELOPPE UN FORMALISME DE TURBULENCE FAIBLE MHD EN PRESENCE D'UN FORT CHAMP MAGNETIQUE UNIFORME PERMETTANT DE DERIVER LES LOIS D'ECHELLES SUIVIES PAR LES SPECTRES D'ENERGIE DANS LE CAS INCOMPRESSIBLE ET EN PRESENCE DE CORRELATION ENTRE CHAMP DE VITESSE ET CHAMP MAGNETIQUE. LE CALCUL ANALYTIQUE DES CONSTANTES APPARAISSANT DEVANT LES SPECTRES EST AUSSI REALISE. ENFIN, UNE PHENOMENOLOGIE DE LA DECROISSANCE TEMPORELLE DE L'ENERGIE EN MHD EST PROPOSEE EN S'APPUYANT SUR LA PERSISTENCE DES GRANDS TOURBILLONS ET SUR LE MODELE D'IROSHNIKOV-KRAICHNAN. IL APPARAIT QUE LES LOIS DE DECLIN DIFFERENT SIGNIFICATIVEMENT SUIVANT LE TYPE DE FLUIDE CONSIDERE, NEUTRE OU CONDUCTEUR, METTANT AINSI EN EVIDENCE LE ROLE DYNAMIQUE IMPORTANT DES ONDES D'ALFVEN.
Author: Loukas Vlahos
Publisher: Springer
ISBN: 3642002102
Category : Science
Languages : en
Pages : 332
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Book Description
Over the years, many leading European graduate schools in the field of astrophysical and space plasmas have operated within the framework of the research network, "Theory, Observations, and Simulations in Turbulence in Space Plasmas." This text is a set of lectures and tutorial reviews culled from the relevant work of all those schools. It emphasizes applications on solar coronae, solar flares, and the solar wind. In bridging the gap between standard textbook material and state-of-the-art research, this text offers a broad flavor to postgraduate and postdoctoral students just coming to the field. And because of its unique mix, it will also be useful to lecturers looking for advanced teaching material for their seminars and courses.
Author: Giannina Poletto
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 1402028318
Category : Science
Languages : en
Pages : 437
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Book Description
9 MHDTurbulence in the Heliosphere: Evolution and Intermittency 253 Bruno Bavassano, Roberto Bruno and Vincenzo Carbone 1 Introduction 254 2 MHD Turbulence Evolution 255 2. 1 Ecliptic Turbulence 256 2. 2 Polar Turbulence 258 2. 3 Conclusions on Turbulence Evolution 263 3 Intermittency 264 3. 1 Probability Distribution Functions of Fluctuations and Self-similarity 269 3. 2 Radial Evolution of Intermittency 271 3. 3 Identifying Intermittent Events 273 3. 4 Conclusions on Intermittency 277 10 283 Waves and Turbulence in the Solar Corona Eckart Marsch 1 Introduction 284 2 Coronal Magnetic Field Structures 284 3 Magnetic Network Activity and Coronal Heating 287 4 Waves and Flows in Loops and Funnels 290 5 Magnetohydrodynamic Waves and Flux Tube Oscillations 293 5. 1 Observation and Theory 293 5. 2 Oscillations of Thin Flux Tubes 295 5. 3 Wave Amplitudes Versus Height from Numerical Mod- ~ 2~ 5. 4 A Standing Slow Magnetoacoustic Wave 299 6 Plasma Waves and Heating of Particles 301 7 Generation, Transfer and Dissipation of Coronal Turbulence 303 7. 1 Generation of Magnetohydrodynamic Waves 303 7. 2 Wave Energy Transfer and Turbulent Cascade 304 7. 3 Wave Dissipation in the Kinetic Domain 307 7. 4 Origin and Generation of Coronal High-Frequency Waves 308 7.
Author: Goetz Paschmann
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 1402045824
Category : Science
Languages : en
Pages : 435
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Book Description
8. 8 Boundary Layer Structure and Detached Plasma 305 8. 8. 1 Background 305 8. 8. 2 Structure inside the boundary layer 306 8. 8. 3 Observation of detached plasma 308 8. 8. 4 Summary 309 8. 9 Summary and Conclusions 310 References 312 9. CLUSTER AT THE MAGNETOSPHERIC CUSPS 321 9. 1 Introduction 321 9. 1. 1 Previous work 323 9. 1. 2 How Cluster investigates the cusp 325 9. 2 The High-Altitude Cusp 326 9. 2. 1 March 17, 2001 328 9. 2. 2 February 4, 2001 332 9. 2. 3 February 13, 2001 337 9. 2. 4 Statistical survey 340 9. 2. 5 Waves and turbulence 343 9. 3 The Mid-Altitude Cusp 352 9. 3. 1 Structure: Case study 352 9. 3. 2 Structure: Statistical survey 354 9. 3. 3 Ionospheric ions 354 9. 3. 4 Mid-altitude signatures of the LLBL 357 9. 4 Discussion 359 References 360 10. MAGNETOPAUSE PROCESSES 367 10. 1 Magnetopause Reconnection 368 10. 1. 1 Intermittent vs. quasi-steady reconnection 368 10. 1. 2 Component vs. anti-parallel reconnection 382 10. 1. 3 Tailward-of-the-cusp reconnection 385 10. 1. 4 Quantitative tests of reconnection occurrence 388 10. 1. 5 Summary 391 10. 2 Kelvin-Helmholtz Instability at the Flank Magnetopause 391 10. 3 Microphysics of Magnetopause Processes 396 10. 3. 1 Collisionless generalised Ohm’s law 397 10. 3. 2 Ion di?usion region observations 398 10. 3. 3 High-frequency waves 402 10. 3. 4 Lower-hybrid waves 405 10. 3.
Author: Léa Griton
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 28
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Book Description
La thèse porte sur le rôle de la rotation planétaire dans la structure globale de l'interaction vent solaire/magnétosphère à partir de simulations magnétohydrodynamiques (MHD). Les magnétosphères planétaires du système solaire présentent une incroyable diversité, et notamment dans leurs configurations respectives de l'inclinaison de leur axe magnétique par rapport à leur axe de rotation. La durée des périodes de rotation par rapport au temps de relaxation de chaque magnétosphère diffère aussi d'une planète à l'autre. On distingue ainsi les rotateurs lents (Mercure et la Terre), pour lesquels le temps de relaxation est plus court que la période de rotation, des rotateurs rapides (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune). Dans le cas du rotateur lent Mercure, on s'intéresse à l'influence des paramètres du vent solaire sur la structure globale du champ magnétique et de l'écoulement. En appui à la mission spatiale BepiColombo, nous présentons des simulations effectuées pour deux modèles différents de champ magnétique herméen. Nous détaillons le rôle des fronts d'onde MHD stationnaires, en particulier les fronts stationnaires de mode lent dans la magnétogaine. Saturne présente la particularité d'avoir un axe magnétique parfaitement aligné avec son axe de rotation. C'est donc un cas de rotateur rapide stationnaire, qui nous permet d'étudier la structure globale du champ magnétique et de l'écoulement pour différentes orientations de l'IMF, mais aussi pour différentes vitesses de rotation de la planète. Enfin, le cas d'une configuration quelconque, avec un grand angle entre l'axe magnétique et l'axe de rotation planétaire, est étudié en présence d'un vent solaire magnétisé en s'inspirant de la configuration d'Uranus au solstice et à l'équinoxe. Dans la configuration « solstice », c'est à dire lorsque l'axe de rotation pointe vers le Soleil, on montre qu'une structure de nature alfvénique se développe en hélice dans la queue de la magnétosphère, et que les zones de reconnexion entre le champ magnétique planétaire et l'IMF, qui forment aussi une double hélice, ralentissent la progression de la structure alfvénique. A l'équinoxe, lorsque l'axe de rotation est toujours dans le plan de l'écliptique mais perpendiculaire à la direction Soleil-Uranus, la structure en hélice disparaît.
