I9 : SolarGeoMag

 

Améliorer les prévisions de l’activité des dynamos du Soleil et de la Terre en rapprochant leur description physique et leur observation

 

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    L’objectif principal du projet est d’améliorer notre compréhension physique ainsi que notre capacité à prévoir l’activité magnétique à long terme du Soleil et de la Terre. Cette compréhension est basée sur l’analyse des simulations 3D, qui sont paramétrées et implémentées dans de modèles de basse dimensionnalité qui se prêtent à des expériences d’assimilation des données.

    Les simulations numériques tridimensionnelles, auto-cohérentes, de la génération des champs magnétiques internes du soleil et de la Terre ont fait d’immenses progrès ces 15 dernières années, grâce à l’augmentation spectaculaire de la puissance de calcul.

     

     

    Simulation complète en 3-D du Soleil, montrant la vitesse normalisée radiale allant du cœur du Soleilà sa surface (Alvan et coll. 2015, Brun et coll. 2016, en préparation). Notez les motifs convectifs de surface et l’excitation d’ondes gravito-inertielles internes par les flux convectifs turbulents.

    Simulation complète en 3-D du Soleil, montrant la vitesse normalisée radiale allant du cœur du Soleilà sa surface (Alvan et coll. 2015, Brun et coll. 2016, en préparation). Notez les motifs convectifs de surface et l’excitation d’ondes gravito-inertielles internes par les flux convectifs turbulents.

     

    Profil de rotation solaire dans le plan méridional calculé avec le code ASH par Alvan et coll. (2015). Notez la forte rotation différentielle extérieure et la transition rapide vers une rotation en bloc au cœur du soleil (Alvan et coll. 2015). La transition s’effectue à travers une région appelée tachocline.

    Profil de rotation solaire dans le plan méridional calculé avec le code ASH par Alvan et coll. (2015). Notez la forte rotation différentielle extérieure et la transition rapide vers une rotation en bloc au cœur du soleil (Alvan et coll. 2015). La transition s’effectue à travers une région appelée tachocline.

     

    Les lignes de champ magnétique à l’intérieur d’une simulation en trois dimensions de la dynamique solaire, calculée avec le code ASH (d’après Augustson et coll., ApJ, 2015).

    Les lignes de champ magnétique à l’intérieur d’une simulation en trois dimensions de la dynamique solaire, calculée avec le code ASH (d’après Augustson et coll., ApJ, 2015).

     

    Diagramme papillon issu d’une simulation numérique cyclique de la dynamo solaire (Augustson et coll., 2015). Notez la propagation de l’équateur d’onde dynamo à moyennes et basses latitudes, ainsi que la période de grand minimum (faible activité) entre les cycles 11 et 16.

    Diagramme papillon issu d’une simulation numérique cyclique de la dynamo solaire (Augustson et coll., 2015). Notez la propagation de l’équateur d’onde dynamo à moyennes et basses latitudes, ainsi que la période de grand minimum (faible activité) entre les cycles 11 et 16.

     

    Vent solaire calculé à partir d’un magnétogramme de l’Observatoire Wilcox au cours du cycle 22, en utilisant le code PLUTO (Reville, Brun et coll. 2015). Les lignes de champ sont colorées suivant l’amplitude de la composante radiale du champ magnétique (Br) et la nuance de gris correspond à la surface d’Alfvén, au-delà de laquelle la vitesse du vent est super-Alfvenique.

    Vent solaire calculé à partir d’un magnétogramme de l’Observatoire Wilcox au cours du cycle 22, en utilisant le code PLUTO (Reville, Brun et coll. 2015). Les lignes de champ sont colorées suivant l’amplitude de la composante radiale du champ magnétique (Br) et la nuance de gris correspond à la surface d’Alfvén, au-delà de laquelle la vitesse du vent est super-Alfvenique.

    En parallèle à ces progrès de modélisation directe, des méthodes d’assimilation ont été mises en œuvre pour mieux contraindre l’évolution à court terme du champ magnétique B des dynamos solaire et terrestre. Pour une prédiction à plus long terme, l’emploi de simulations tridimensionnelles pour l’assimilation a un coût qui demeure prohibitif.

    Cette contrainte impose de développer  des modèles plus conceptuels et de basse dimension afin d’étayer (par comparaison objective avec les données) nos études directes 3-D des variations à long terme de B, telles les inversions de polarité (rares et irrégulières) de la dynamo terrestre, ou les grands minima solaires (périodes centennales de faible activité). Notre groupe a développé de tels modèles simplifiés pour le cas solaire (modèles de « champ moyen »), qu’il a placés au cœur d’un système d’assimilation variationnelle afin d’être en mesure de prédire l’activité solaire sur un cycle solaire (11 ans). Nous proposons ici d’améliorer la physique de ces modèles pour être en mesure de caractériser le comportement à long terme de la Terre et du Soleil.

    Les questions que nous souhaitons aborder sont :

    • Quels sont les mécanismes physiques responsables de la variabilité magnétique à long terme du Soleil et de la Terre?
    • Quelle est la prévisibilité des événements basses fréquences/rares tels que les minima solaires et les inversions géomagnétiques ?
    • Peut-on faire des prévisions fiables de ces événements à l’aide, par exemple, de modèles partiellement simplifiés (paramétrés)?

    Ces questions, dont les réponses doivent s’appuyer sur les observations disponibles, peuvent être posées dans le cadre général de l’assimilation des données. Appliquer des techniques d’assimilation des données pour étudier le comportement à long terme du magnétisme du Soleil et de la Terre est actuellement hors de portée si l’on veut recourir à des modèles 3D haute résolution (le coût d’une assimilation est de 10 à 100 fois celui d’une intégration directe simple du modèle). Notre objectif est d’analyser les sorties complexes des simulations 3-D des dynamos solaire et terrestre afin d’en extraire les mécanismes fondamentaux qui contrôlent la variabilité magnétique à long terme de ces objets, et de tester ces mécanismes au regard des observations en les plaçant au cœur de modèles conceptuels de taille moyenne plus adapté à une démarche d’assimilation des données. Ces observations comprendront le nombre de taches solaires depuis le début des années 1600 pour le Soleil (comprenant donc le minimum de Maunder) et les fluctuations de l’intensité géomagnétique au cours des 2 derniers millions d’années (couvrant 5 inversions de polarité, la dernière s’étant produite il y a 780 000 ans).

     

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    POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader Alexandre Fournier IPGP Professor (IPGP)
    WP co-leader A. Sacha Brun AIM Senior researcher (CEA)
    WP member Ching Pui Hung IPGP / AIM Post-doctoral researcher
    WP member Laurène Jouve IRAP / AIM Maître de conférences (U Toulouse)
    WP member Gauthier Hulot IPGP Senior Researcher (CNRS)
    WP member Thomas Gastine IPGP Junior Researcher (CNRS)

     

     

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    1 – Simulations 3D de l’énergie solaire et de la géodynamique

     

    L’objectif de cette tâche est d’identifier les processus physiques clés contrôlant le comportement à long terme des champs magnétiques terrestres et solaires, à travers l’analyse détaillée des simulations tridimensionnelles de ces systèmes. Pour les simulations géodynamiques, nous avons effectué au cours de la première année une série d’essais préliminaires pour explorer la sensibilité de l’emplacement du pôle géomagnétique à la vigueur de la convection, comme indicateur de la possibilité qu’une simulation donnée mène à une inversion géomagnétique. Au début de l’année 2, nous avons augmenté la vigueur encore plus, et obtenu une solution multipolaire, c’est-à-dire une solution qui ne ressemble en rien à la géodynamique (caractérisée par un champ dominé par les dipôles, qui s’inverse parfois). La solution est restée multipolaire, ne revenant jamais à un état dominé par le dipôle.

     

    2 – Conception d’un outil opérationnel de prévision de l’activité solaire

    UnivEarthS a financé le post-doc Ching-Pui Hung qui a continué à faire un développement considérable, susceptible d’avoir le plus grand impact. Nous disposons d’un outil d’assimilation dont la colonne vertébrale est un modèle de champ moyen de la dynamo solaire et qui permet d’estimer de manière convaincante la circulation profonde dans le Soleil, en fonction du temps, à partir de l’observation des taches solaires et des magnétogrammes de surface. Les expériences de validation de principe ont été réalisées pour la plupart en 2016 et rapportées dans le rapport scientifique de 2016 ; leur analyse détaillée et leur comparaison avec l’état de l’art ont été publiées dans l’Astrophysical Journal (Hung et al., accepté pour publication), http://arxiv.org/abs/1710.02114)

    3 – Prévisibilité à long terme des inversions géomagnétiques (et variabilité à long terme de la dynamo solaire)

    Ce travail est subordonné, en grande partie, à l’achèvement du groupe de travail 1. En ce qui concerne cet axe de recherche, et indépendamment du soutien réel de UnivEarthS, une collaboration avec le Dr Matthias Morzfeld de l’Université de l’Arizona a abouti à un article décrivant le banc d’essai que l’on peut utiliser pour cette tâche, soulignant en particulier l’importance du concept de prévisions grossières (Morzfeld et al, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2017). Puisque la tâche 1 n’est pas encore terminée, nous devons reporter le début de la tâche 3 pour ce qui concerne le champ géomagnétique.

     

     

  • C. P. Hung, A. S. Brun, A. Fournier, L. Jouve, O. Talagrand, and M. Zakari, Variational estimation of the large scale time dependent meridional circulation in the Sun: proofs of concept with a solar mean field solar dynamo model, accepted for publication in the Astrophysical Journal. 2017.
    http://arxiv.org/abs/1710.02114

     

    C. P. Hung, A. S. Brun, A. Fournier, L. Jouve, O. Talagrand, and M. Zakari , Estimating the Solar Meridional Flow and Predicting the 11-yr Cycle Using Advanced Variational Data Assimilation Techniques, Space Weather of the Heliosphere: Processes and Forecasts, Proceedings IAU Symposium No. 335, 2017, Claire Foullon & Olga Malandraki, ed.

     

    Coarse predictions of dipole reversals by low-dimensional modeling and data assimilation, by M. Morzfeld, A.Fournier, and G. Hulot, 262, 8-27, 2017. doi: 10.1016/j.pepi.2016.10.007 (in connection with WP2)

     

    Sandpile models and solar flares: eigenfunction decomposition for data assimilation, by A. Strugarek, A. S. Brun, P.Charbonneau and N. Vilmer, Space Weather of the Heliosphere: Processes and Forecasts, Proceedings IAU Symposium No. 335, 2017, Claire Foullon & Olga Malandraki, ed. Submitted

     

    Hung, C.P., Jouve, L., Brun, A.S., Fournier, A., and Talagrand O., Estimating the deep solar meridional circulation using magnetic observations and a dynamo model: a variational approach,The Astrophysical Journal, 814, 151 (21 pp), 2015. doi:10.1088/0004-637X/814/2/151

     

    Svanda, M., Brun, A.S., Roudier, T., Jouve, L., Polar cap magnetic field reversals during solar grand minima: could pores play a role?, Astronomy and Astrophysics, 586, A123 (11 pp), 2016.
    10.1051/0004-6361/201527314

     

    Brun, A.S., Browning, M.K., Dikpati, M., Hotta, H., Strugarek, A., Recent Advances on Solar Global Magnetism and Variability, Space Science Reviews, 196, 101 (35 pp), 2015

     

    Réville, V., Brun, A.S., Strugarek, A., et al., From Solar to Stellar Corona: The Role of Wind, Rotation, and Magnetism, The Astrophysical Journal, 814, 99 (9 pp), 2015
    10.1088/0004-637X/814/2/99

     

    Alvan, L., Strugarek, A., Brun, A.S., Mathis, S., Garcia, R.A., Characterizing the propagation of gravity waves in 3D nonlinear simulations of solar-like stars, Astronomy and Astrophysics, 581, A112 (13 pp), 2015.

    10.1051/0004-6361/201526250

     

    Augustson, K., Brun, A.S., Miesch, M., Toomre, J., Grand Minima and Equatorward Propagation in a Cycling Stellar Convective Dynamo, The Astrophysical Journal, 809, 149 (25 pp), 2015

    10.1088/0004-637X/809/2/149