Reconnexion - Nicolas Aunai
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Reconnexion Magnétique Asymétrique Application à la Magnétopause Terrestre • • • • • • • C’est quoi la reconnexion magnétique ? Où est-ce que ça reconnecte ? Quelques modèle de reconnexion Reconnexion asymmétrique : état des lieux Simulation Hybrides Equilibre cinétique Hybride Conclusion et Perspectives Nicolas Aunai Roch Smets & Gerard Belmont C’est quoi la reconnexion magnétique ? Reconnexion La reconnexion magnétique est : • Un phénomène plasma universel • Une conversion d’énergie magnétique en énergie cinétique et thermique • Un changement topologique des lignes de champ Où est-ce que ça reconnecte ? !"#$%&'#$()*+#$,-$./)01)0 (1) presque partout ! !"#$%&'#()"*+$"#*,)-&(%$.*/&0"1#),234%$ Tokamaks Magnétosphère Soleil Milieu Interstellaire Disques d’accrétion Coté nuit, supposée responsable des “sous-orages” provocant les aurores polaires “Coté jour”, ouvre la magnétosphère au flux solaire La reconnexion dans la magnétosphère Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Reconnexion ! Transfert vent-solaire/ Magnétosphère autorisé ! Où est-ce que ça reconnecte ? (2) Reconnexion coté jour Quelques Modèles de reconnexion (1) Taux de reconnexion C’est la “vitesse” instantanée à laquelle se produit la reconnexion des lignes de champs. h Autrement dit, c’est la dérivée temporelle du flux magnétique normal au plan de symétrie dessiné en gris. Ez L’équation de Maxwell-Faraday dit que c’est aussi une circulation électrique sur le contour fermant ce plan. y x z Le champ électrique Ez au point X est une mesure du taux de reconnexion En 2D, le champ électrique est uniforme suivant z. Seul le coté du rectangle “au point X” contribue à la circulation Quelques Modèles de reconnexion (1) Taux de reconnexion Vin Pour “briser” une ligne de champ, il doit nécessairement exister une région non idéale (région bleue sur le dessin). Bin y x En dehors (au dessus/dessous ou à droite/gauche) la MHD idéale est valide. Le champ Ez homogène est donnée par : Vout Bout z Par convention, on utilise le taux de reconnexion défini comme le champ électrique Ez normalisé : L’éjection du plasma se fait grâce à la courbure du champ magnétique nouvellement reconnecté : En régime stationnaire, le flux entrant égale le flux sortant : En utilisant de plus la divergence de B nulle : Note 1: La zone bleue est une zone non idéale, ça n’est pas forcément la zone où le gel est brisé. La relation ci-dessus est donc vraie quelque soit le mécanisme considéré. (En 2D stationnaire) Ainsi : Note 2: La relation du taux de reconnexion normalisé peut-être vue comme l’angle d’ouverture des lignes de champ reconnectées. Quelques Modèles de reconnexion (1) Sweet-Parker (1958) Modèle Magnétohydrodynamique résistif stationnaire Le seul mécanisme physique permettant de briser les lignes de champ est la diffusion magnétique. Cette diffusion se fait sur une certaine échelle dépendant de la résistivité Joule du milieu, c’est à dire à l’échelle où les collision électrons-ions deviennent importantes. Convection Ejection Diffusion Malheureusement, si la diffusion fixe l’échelle suivant y, aucune physique ne fixe la longueur de la zone non idéale. Elle est donc libre de s’étendre jusqu’à atteindre la taille du système (Astrophysique !). Le nombre de Reynolds magnétique est alors extrêmement grand. La vitesse d’entrée du plasma est donc une très faible fraction de la vitesse d’Alfvèn, et le taux de reconnexion résultant est très faible. Ce modèle prédit par exemple des éruptions solaires libérant l’énergie magnétique en 1 an au lieu de quelques minutes !!!!! On montre facilement que : Note 1 : Le nombre de Reynolds magnétique est même encore plus grand que grand car en plus de la taille astrophysique de la zone de diffusion, la largeur est ridiculement petite car elle dépend directement de collisions inexistantes dans la plupart des plasmas spatiaux. Note 2 : Le taux de reconnexion peut être vu ici comme le nombre de Mach Alfvénique. Quelques Modèles de reconnexion (2) Petschek (1964) Modèle Magnétohydrodynamique résistif stationnaire. H. Petschek comble le point faible du modèle de Sweet et Parker. Il diminue arbitrairement la longueur de la zone de diffusion. Le taux de reconnexion est donc beaucoup plus grand et ne dépend que logarithmiquement de la résistivité. Tout le plasma ne passant plus par la zone de dissipation, la conversion d’énergie magnétique en énergie cinétique et chaleur est alors assurée à la traversée de chocs lents stationnaires entourant la zone de dissipation. Malheureusement, l’hypothèse stationnaire s’avère intenable. Toutes les simulations numériques réalisées à ce jour montrent qu’une configuration Petschek tend irrémédiablement vers le cas de Sweet et Parker, diminuant dramatiquement le taux de reconnexion. Note 1 : Les simulations MHD montrent qu’en fait une configuration Petschek ne peut être maintenue qu’avec un fort gradient de résistivité au centre de la zone de diffusion. Ce gradient parait difficile à justifier dans les plasmas collisionnels. Dans les plasmas non-collisionnels il est également difficule de justifier Petschek par une “résistivité anormale” résultant de la turbulence ou d’une interaction ondeparticule. Note 2 : Quelques Modèles de reconnexion (3) Reconnexion Hall non collisionnelle (~1995) Reconnexion magnétique asymétrique (3) Reconnexion Hall non collisionnelle (~1995)
