The solar magnetism: from its internal origin to its surface manifestations
Modélisation du magnétisme solaire : de son origine interne à ses manifestations en surface
Résumé
This thesis is part of the general study of dynamical processes involved in stars such as convection, rotation or magnetic fields and of their nonlinear interactions. The results of numerical simulations using the 2D finite element code STELEM and the pseudo-spectral 3D code ASH are presented. The first part of this work focuses on the global modeling of the solar dynamo. Through 2D si- mulations using mean-field theory, I studied the influence of a complex profile of meridional flow in Babcock-Leighton models. Even if the 22-yr cycle period can be reproduced by these models, the resul- ting butterfly diagram is affected to a point where it is unlikely that such multicellular meridional flows persist for a long period of time inside the Sun, without having to reconsider the model itself. We thus show that there may be doubts about the ability of such models to reproduce the main characteristics of the solar cycle. In order to better constrain the effects of solar variability on the Earth climate, we present a first application in solar physics of sophisticated prediction methods which are used in meteorology. I also computed the first 3D MHD simulations in spherical geometry of a key step in the solar dynamo : the nonlinear evolution of magnetic structures from the base of the convection zone up to the surface where they produce active regions. The global effects of hoop stresses and mean flows are taken into account. Weak fields are likely to be modulated by convective motions, thus creating favored longitudes of emergence. We show that the effect of convective motions on the tilt angle has to be taken into account and that Joy's law should not be explained exclusively by the Coriolis force acting on the flux rope. The introduction of an atmosphere in these models is a step towards a 3D global vision of our Sun.
Cette thèse s'inscrit dans le contexte général de l'étude des processus dynamiques intervenant dans les étoiles tels que la convection, la rotation ou le champ magnétique et de leurs interactions non-linéaires. Les résultats de simulations numériques obtenus avec le code 2D éléments finis STELEM et le code pseudo-spectral 3D ASH sont présentés. La première partie de cette thèse concerne la modélisation globale de la dynamo solaire, mécanisme de régénération du champ magnétique. Via des simulations numériques 2D utilisant la théorie des champs moyens, j'ai pu étudier l'influence d'une circulation méridienne au profil complexe dans les modèles de Babcock-Leighton. Même si ces modèles sont capables de reproduire une période de 22 ans, de nombreuses caractéristiques du cycle telles que la migration des taches solaires vers l'équateur sont perdues. Nous montrons que des doutes peuvent être formulés sur la capacité de ces modèles à rendre compte du fonctionnement réel de la dynamo solaire. Dans l'objectif de mieux contraindre les effets de la variabilité du cycle solaire sur le climat terrestre, nous présentons ensuite un premier effort d'application en physique solaire de techniques de prédiction sophistiquées utilisées en météorologie. J'ai également pu effectuer les premiers calculs MHD 3D en géométrie sphérique d'une des étapes clés de la dynamo : l'évolution non-linéaire de structures magnétiques de la base de la zone convective vers la surface où elles émergent sous forme de régions actives. Les effets globaux de la force de courbure magnétique et des écoulements moyens sont pris en compte. Des champs faibles sont susceptibles d'être modulés par les mouvements convectifs, favorisant ainsi l'émergence à des longitudes privilégiées. Nous montrons qu'il est nécessaire de prendre en compte l'effet de la convection dans l'angle de tilt et non d'expliquer la loi de Joy uniquement par la rotation et la force de Coriolis induite. L'introduction d'une atmosphère dans ces modèles est une étape vers une vision 3D globale du Soleil.