Large-scale dynamics of convection in the solar photosphere

Dynamique des grandes échelles de la convection dans la photosphère solaire

Francois Rincon (1)

1 LATT - Laboratoire Astrophysique de Toulouse-Tarbes

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. These simulations have been performed using a DNS code which was partly developed during the thesis. Two distinct scales come out of the numerical experiment: the first one is comparable to granulation and is only found in the surface layers. The second one is an energetic mesoscale with horizontal extent larger than the granular pattern but still smaller than the size of the computational domain. It is visible at all depths and is found to have a genuine convective origin. As solar mesogranulation bears some resemblance with this pattern, it is conjectured that it may be the dominant convective scale below the photospheric surface and would be partly hidden by granulation. A third approach has finally been proposed, that deals with the possibility that supergranulation may result from a large-scale instability of granulation. The first steps towards a computation of turbulent transport coefficients of convective flows have been done by developing a code based on the mean-field hydrodynamic theories of the AKA effect and turbulent viscosity.

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. Une troisième approche, visant à étudier la possibilité que la supergranulation résulte d'une instabilité à grande échelle de la granulation, a finalement été proposée. A cette fin, les premiers pas vers un calcul de coefficients de transport turbulent pour des écoulements convectifs ont été faits en développant un code s'appuyant sur le formalisme de théories hydrodynamiques de champ moyen pour l'effet AKA et la viscosité turbulente.

Mots clés: stratified medium; magnetohydrodynamics; instabilities; numerical simulations; Solar physics

Mots clés: Physique solaire; photosphère; granulation; mésogranulation; supergranulation; convection; milieux stratifiés; magnétohydrodynamique; turbulence; instabilités; simulations numériques

Domaines: Astrophysique [astro-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Francois Rincon. Dynamique des grandes échelles de la convection dans la photosphère solaire. Astrophysique [astro-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008710⟩