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Mesure de l'hélicité magnétique dans l'atmosphère solaire – HeliSol

L'hélicité magnétique et la prévision des éruptions solaires

Le projet HeliSol est un projet jeune-chercheur en recherche fondamentale sur la physique des relations Soleil-Terre. Son but est d’améliorer notre prévision de l’impact de l’activité solaire sur l’environnement magnétique de la Terre. HeliSol vise au développement d’outils nouveaux pour l’étude et la compréhension du déclenchement d’évènements énergétiques solaires. Il s’attache à étudier une quantité peu exploitée en physique solaire : l’hélicité magnétique.

Mesure de l'hélicité magnétique dans l'atmosphère solaire

L’hélicité magnétique est une des rares quantités conservées au sein de la magnétohydrodynamique (MHD), le paradigme physique dans lequel sont généralement étudiées les régions d’activité du Soleil. Des résultats théoriques, analytiques et observationnels préliminaires semblent indiquer que l’hélicité magnétique joue probablement un rôle clef dans l’activité solaire. Néanmoins les mesures de cette quantité ont été jusqu’alors limitées du fait de leur complexité inhérente. En s’appuyant sur de nouvelles méthodes robustes de mesure de l’hélicité, le projet HeliSol s’attache à étudier de manière approfondie cette quantité dans l’atmosphère solaire directement à partir d’observations ainsi qu’à l’aide de simulations numériques MHD 3D de pointe.

D’un point de vue observationnel, HeliSol exploite les cartes de champ magnétiques obtenues par des missions spatiales actuelles (e.g., Solar Dynamics Observatory, Hinode) afin de déterminer le flux d’hélicité magnétique à travers la surface du Soleil. Parallèlement des méthodes de reconstruction 3D du champ magnétique solaire sont utilisées pour mesurer l’hélicité magnétique des régions actives. Ces deux types de mesure permettent de caractériser les centres actifs solaires en termes d’hélicité, ceci en lien avec leur éruptivité. De plus, HeliSol génére des études numériques poussées s’appuyant sur des codes de simulations fonctionnant sur les centres de calcul de haute performance nationaux (e.g. CINES). HeliSol étudie l’accumulation de l’hélicité magnétique dans des simulations de formation des régions actives solaires. Ces études numériques sont comparées avec les résultats observationnels. Finalement la dynamique de l’hélicité lors du déclenchement des éruptions solaires est analysée. HeliSol s’attache à identifier dans ces simulations numériques la dynamique de l’hélicité magnétique ainsi que l’existence de critères clairs la liant au déclenchement des phénomènes éruptifs.

HeliSol permet la production de deux types de résultats: d'une part la production de méthodes et codes de calcul de l'hélicité magnétique ; d'autre part, via l'utilisation de ces codes, à la production de connaissances sur l'hélicité magnétique, sur ses propriétés théoriques, sur son comportement dans l'atmosphère solaire et sur ses liens avec l'éruptivité du Soleil.

Au cours des 30 premiers mois du projet HéliSol, deux nouvelles méthodes de calcul de l'hélicité ont été ébauchées et les codes correspondant sont en voie de développement. La première méthode est une extension des méthodes de calcul existante à des jeux de données en coordonnées sphérique. Les codes existants ne fonctionnait en effet que sur des données cartésiennes et donc sur des domaines rectangulaires. La nouvelle méthode va donc permettre le calcul de l'hélicité sur la géométrie naturelle de la sphère solaire.

La seconde méthode de mesure de l'hélicité, elle complètement innovante, repose sur l'étude de l'hélicité par ligne de champ magnétique. L'hélicité est une quantité globale et il n'existe donc pas de densité d'hélicité magnétique. Le projet HéliSol travaille au développement théorique et appliqués du calcul de l'hélicité par ligne de champ magnétique.

HéliSol a aussi fournit des résultats scientifique important sur les propriétés de l'hélicité magnétique. Premièrement, des travaux analytiques, contrôlés via des applications numériques, ont aboutit au calcul des taux de variation des différentes composantes d'une décomposition physiquement pertinente de l'hélicité magnétique.

D'autre part, HéliSol a montré, à partir de simulations numériques de formation de régions actives solaires, qu'une quantité basé sur l'hélicité magnétique, permettait de parfaitement décrire l'éruptivité des régions actives simulées. Cette quantité présente donc une propriétés prédictive particulièrement novatrice et encourageante. Ces travaux ont entrainé un communiqué de presse du CNRS.

HeliSol aboutira au développement théorique et à l’application pratique de nouvelles méthodes de mesure de l’hélicité magnétique dans l’atmosphère solaire. Il générera des études observationnelles et numériques permettant une meilleure compréhension de son rôle sur l’activité solaire. HeliSol vise donc à obtenir des critères permettant de prédire de manière déterministe le déclenchement des éruptions solaires et de permettre une amélioration substantielle de la capacité des centres de prévision à anticiper ces évènements, dont les méthodes sont aujourd’hui uniquement basées sur une approche heuristique. Au-delà de ces applications à la météorologie de l’espace, HeliSol est un projet de recherche fondamentale qui permettra une meilleure compréhension de la dynamique physique des plasmas, qui composent 99% de la matière visible de notre univers.

HeliSol est un projet de recherche fondamentale dédié principalement à la production d'articles de recherche scientifique dans des journaux à comité de lecture.
Suite aux trentes premiers mois du projet, six articles ont été publiés dans trois des principaux journaux scientifiques dédié à l'astrophysique. Sept autres publications sont en cours de rédaction et/ou prévues dans les mois à venir.

Le projet HeliSol est un projet jeune-chercheur en recherche fondamentale sur la physique de l’héliosphère et plus particulièrement sur les relations Soleil-Terre. Son but est d’améliorer notre prévision de l’impact de l’activité solaire sur l’environnement magnétique de la Terre. HeliSol vise au développement d’outils nouveaux pour l’étude et la compréhension du déclenchement d’évènements énergétiques solaires. Il s’attache à étudier une quantité peu exploitée en physique solaire : l’hélicité magnétique.

L’hélicité magnétique est une des rares quantités conservées au sein de la magnétohydrodynamique (MHD), le paradigme physique dans lequel sont généralement étudiées les régions d’activité du Soleil. Des résultats théoriques, analytiques et observationnels préliminaires semblent indiquer que l’hélicité magnétique joue probablement un rôle clef dans l’activité solaire. Néanmoins les mesures de cette quantité ont été jusqu’alors limitées du fait de leur complexité inhérente. En s’appuyant sur de nouvelles méthodes robustes de mesure de l’hélicité, le projet HeliSol s’attachera à étudier de manière approfondie cette quantité dans l’atmosphère solaire directement à partir d’observations ainsi qu’à l’aide de simulations numériques MHD 3D de pointe.

D’un point de vue observationnel, HeliSol exploitera les cartes de champ magnétiques obtenues par des missions spatiales actuelles (e.g., Solar Dynamics Observatory, Hinode) afin de déterminer le flux d’hélicité magnétique à travers la surface du Soleil. Parallèlement des méthodes de reconstruction 3D du champ magnétique solaire seront utilisées pour mesurer l’hélicité magnétique des régions actives. Ces deux types de mesure permettront de caractériser les centres actifs solaires en termes d’hélicité, ceci en lien avec leur éruptivité. De plus, HeliSol générera des études numériques poussées s’appuyant sur des codes de simulations fonctionnant sur les centres de calcul de haute performance nationaux (e.g. CINES). HeliSol étudiera l’accumulation de l’hélicité magnétique dans des simulations de formation des régions actives solaires. Ces études numériques seront comparées avec les résultats observationnels. Finalement la dynamique de l’hélicité lors du déclenchement des éruptions solaires sera analysée. HeliSol s’attachera à identifier dans ces simulations numériques la dynamique de l’hélicité magnétique ainsi que l’existence de critères clairs la liant au déclenchement des phénomènes éruptifs.

HeliSol aboutira au développement théorique et à l’application pratique de nouvelles méthodes de mesure de l’hélicité magnétique dans l’atmosphère solaire. Il générera des études observationnelles et numériques permettant une meilleure compréhension de son rôle sur l’activité solaire. HeliSol vise donc à obtenir des critères permettant de prédire de manière déterministe le déclenchement des éruptions solaires et de permettre une amélioration substantielle de la capacité des centres de prévision à anticiper ces évènements, dont les méthodes sont aujourd’hui uniquement basées sur une approche heuristique. Au-delà de ces applications à la météorologie de l’espace, HeliSol est un projet de recherche fondamentale qui permettra une meilleure compréhension de la dynamique physique des plasmas, qui composent 99% de la matière visible de notre univers.

Coordinateur du projet

Monsieur Etienne PARIAT (Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LESIA Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique

Aide de l'ANR 301 600 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 48 Mois

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