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Theses Year : 2010

From Vlasov to STEREO: nonlinear coupling in the solar wind

De Vlasov à STEREO : couplages non-linéaires dans le vent solaire

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Abstract

Many astrophysical plasmas, among them the solar wind, are collisionless. The typical frequencies of the system dynamics are indeed much higher than the collision frequency, so that the solar wind cannot be considered at local thermodynamic equilibrium. In this context, kinetic and/or nonlinear processes (wave-particle and wave-wave interactions) are of primary importance for the redistribution of the energy in the plasma. Kinetic processes and nonlinear plasma theory have been extensively studied since the 1960s, but observational evidence for such processes is still lacking. In the particular case of electron and ion electrostatic coupling and in the context of space plasma, the main goals of this thesis are (i) to understand the physics of kinetic and/or nonlinear processes and (ii) to provide observational evidence of such processes. The study is based on electric field observations and kinetic plasma simulations. Insitu waveform measurements are provided by the TDS observing mode of the WAVES instrument onboard the STEREO mission. The kinetic simulations were performed using a 1D-1V Vlasov-Poisson code in the electrostatic approximation. The results of this thesis are the following. (1) A method has been developed to measure and to calibrate in-situ small scale density fluctuations, through the quasistatic fluctuations of the spacecraft floating potential. (2) The first observational evidence for ponderomotive effects (which nonlinearly couples solar wind ion dynamics to high-amplitude Langmuir waves) is obtained by analyzing a data set of density and electric field measurements over more than three years. (3) This work also provides the first direct, complete set of evidence for Langmuir electrostatic decay (an archetype of wave-wave interaction) associated to a Type III burst. The resonant character of the interaction is shown in the observations, by verifying the conservation of momentum and energy during the interaction (relation of resonance), as well as the phase coherence through a bicoherence analysis. A new expression for the Langmuir decay threshold is computed from the simulations, taking into account the dynamics of the process, and is shown to be in agreement with the observations. (4) Finally, the long time evolution of weak Langmuir turbulence (in the Langmuir electrostatic decay regime) is shown to asymptotically end up with strong turbulence and the formation of Langmuir cavitons, through the Vlasov-Poisson system. This thesis shows the importance of a complementary approach between observations and simulations.
De nombreux plasmas astrophysiques, dont le vent solaire, sont non-collisionels. Les fréquences typiques des processus dynamiques sont grandes devant la fréquence de collision, de sorte que le vent solaire est hors équilibre thermodynamique local. Dans ce contexte, les processus cinétiques et/ou non-linéaires (interactions ondes-particules et ondesondes) permettent de redistribuer l'énergie dans le plasma. Si les processus cinétiques et la théorie non-linéaire des plasmas ont été intensivement étudiés depuis les années 1960, des preuves observationnelles concluantes manquent encore. L'objectif de cette thèse est double : d'une part comprendre les effets cinétiques et/ou nonlinéaires (en particulier dans le cas des couplages electrostatiques ions-electrons) et d'autre part fournir des preuves observationnelles de leur existence dans les plasmas spatiaux. Cette étude se fonde sur des observations in-situ et des simulations numériques. Les mesures de formes d'onde de champ électrique sont fournies par l'instrument radioWAVES embarqué sur les sondes STEREO. Les simulations numériques sont réalisées en utilisant un code cinétique Vlasov-Poisson unidimensionel dans l'approximation électrostatique. Les résultats de cette thèse sont les suivants. (1) Une méthode de mesure et d'étalonnage in-situ des fluctuations de densité haute fréquence (0.1 - 1kHz donc dans un domaine non accessible par les instruments particulaires) a été développée en utilisant les variations quasi-statiques du potentiel flottant des sondes. (2) Des mesures simultanées de champ électrique et de densité sur plus de trois ans de données fournissent la première preuve observationnelle d'effets pondéromoteurs dans le vent solaire, permettant de coupler la densité du plasma aux ondes de Langmuir de grande amplitude. (3) Ce travail fournit également la première preuve observationnelle directe de l'instabilité de décroissance des ondes de Langmuir, un archétype d'interaction onde-onde, associé à un sursaut de type III. Le caractère résonant de l'interaction est validé grâce aux observations de forme d'ondes, en vérifiant la conservation de l'impulsion et de l'énergie (relations de résonances), ainsi que la résonance de phase à travers une analyse de bicohérence. Les simulations fournissent une nouvelle expression du seuil d'instabilité de décroissance des ondes de Langmuir, en accord avec les niveaux d'énergie observés. (4) Enfin, les simulations Vlasov-Poisson montrent que l'évolution de la turbulence faible de Langmuir sur des temps longs tend vers un régime de turbulence forte via la formation de structures cohérentes électrostatiques (cavitons). Cette thèse illustre l'importance d'une approche complémentaire observations-simulations pour l'étude des plasmas spatiaux, ainsi que le rôle fondamental joué par les processus cinétiques.
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Dates and versions

tel-00532627 , version 1 (04-11-2010)

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  • HAL Id : tel-00532627 , version 1

Cite

Pierre Henri. From Vlasov to STEREO: nonlinear coupling in the solar wind. Astrophysics [astro-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00532627⟩
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