Dynamique des grandes échelles de la convection dans la photosphère solaire
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Velocity fields measurements of turbulent flows in the solar photosphere reveal three distinct horizontal scales: granulation (1 000 km), mesogranulation (7 000 km) and supergranulation (30 000 km). Granulation is known to result from radiative cooling of hot ascending gas close to the surface, but the origin of mesogranulation and supergranulation remains largely unknown. Several convection models were developed in the course of this PhD research in order to investigate possible formation mechanisms for these large-scale flows. A theoretical study of the convective instability in the linear regime has first been attempted. The model relies on a fully compressible description of the fluid movements when a vertical permanent magnetic field and fixed thermal flux boundary conditions (that are relevant on large scales) are imposed. Very elongated convection cells are shown to be preferred as convection sets in and scales comparable to supergranulation can be obtained for realistic values of the magnetic field. Direct numerical simulations of fully compressible turbulent convection in a very large aspect ratio domain have then been carried out to investigate turbulent dynamics on large scales. . .
Abstract FR:
Les mesures des champs de vitesse turbulents dans la photosphère solaire font apparaître trois échelles horizontales distinctes : la granulation (1~000~km), la mésogranulation (7~000~km), et la supergranulation (30~000~km). La granulation résulte du refroidissement radiatif brutal à la surface du gaz chaud et montant. En revanche, l'origine de la mésogranulation et de la supergranulation est en grande partie inconnue. Au cours de cette thèse, plusieurs modèles de convection ont été élaborés afin de mettre en évidence des mécanismes de formation de ces écoulements à grande échelle. Une première approche théorique a consisté à étudier l'instabilité convective dans le domaine linéaire en présence de champ magnétique, de stratification en densité, et de conditions aux limites de flux thermique, pertinentes aux grandes échelles. Cette étude a montré que des cellules de convection très allongées étaient favorisées et qu'une échelle supergranulaire pouvait être obtenue pour des valeurs réalistes de champ magnétique. Dans un deuxième temps, des simulations numériques directes de convection turbulente compressible avec un rapport d'aspect très important ont été réalisées afin d'étudier la dynamique aux grandes échelles. Ces simulations, effectuées à l'aide d'un code DNS développé en partie durant la thèse, ont permis de mettre en évidence la formation de deux échelles horizontales distinctes. La première, comparable à la granulation, n'est visible qu'à proximité de la surface. La seconde est une mésoéchelle très énergétique, de taille intermédiaire entre la dimension horizontale du domaine et la granulation. Elle est présente à toutes les profondeurs et son origine est convective. La mésogranulation solaire, au vu de ses ressemblances avec ce motif, pourrait donc dominer la dynamique convective sous la surface tout en étant masquée par la granulation. . .