Non-Thermal Distributions and Turbulence in the Expanding Solar Wind

Le but de l’atelier proposé est de fournir à un groupe consolidé de collaborateurs internationaux l’occasion de se retrouver pendant 1 semaine, afin de progresser dans leurs travaux de collaborations. La thématique abordée est l’étude de la turbulence dans les plasmas spatiaux, à l’aide de simulations numériques et l’exploitation de données in situ. L’équipe de participants comprend des utilisateurs de code numériques développés au LESIA dans le passé ("boite en expansion", "hybride", "cinétique-BiCoP") et maintenant partagés avec différents instituts européens (Prague, Florence, Londres), ainsi que des experts dans le traitement des données spatiales (LESIA, Imperial College, Queen Mary, Univ. de la Calabria), en particulier dans l’application de méthodes de turbulence fluide et cinétique.

L’atelier sera donc l’occasion pour consolider les collaborations existantes entre ces équipes, commencer des nouveaux projets communs et finaliser des travaux en cours entre les différents participants.
Pour cela, le format prévu est une combinaison entre présentations scientifiques, discussions ouvertes et groupes de travail parallèles ; format permis par les ressources mises à disposition au CIAS.
L’équipe préliminaire des participants met ensemble une dizaine de chercheurs internationaux, des membres du pôle plasma du LESIA et des étudiants en thèse dans ces instituts (Lesia, Florence, Londres, LPP).

Dans le contexte internationale, cette proposition se situe dans une période très active et prometteuse pour la communauté héliosphèrique, grâce aux missions spatiales qui bientôt seront lancées et qui étudieront le Soleil et le vent solaire comme jamais avant (NASA/Parker Solar Probe et ESA/Solar Orbiter). Les participants de l’atelier sont directement impliqués dans ces missions (y inclut PIs et CoIs de différents instruments à bord) et cette rencontre sera aussi l’occasion de mettre à jour nos modèles théoriques pour ces missions et développer des stratégies à partager avec le reste de la communauté pour l’analyse des nouvelles données.
Coté calendrier, nous proposons une date qui se situe juste avant un important rendez-vous international, la conférence Solar Wind 15 qui se tiendra en Juin 2018. Il s’agit du colloque le plus important dans la communauté du vent solaire, qui se tient tout les 3 ans. L’atelier sera donc aussi l’occasion pour finaliser et réviser les contributions scientifiques des chercheurs participants en vue de cet important rendez-vous.

Finalement, la présence d’étudiants dans l’équipe leur permettra de bénéficier des interactions avec plusieurs chercheurs experts dans le domaine des simulations et des observations. L’atelier pourra aussi leur donner l’opportunité de bâtir des nouvelles collaborations à exploiter pendant ou après la thèse.

Liste préliminaire des participants :

1. S. Landi (U. Florence)
2. A. V erdini (U. Florence)
3. P . Hellinger (Astron. Inst. Prague)
4. L. Franci (QM London)
5. C. Chen (QM London)
6. D. Burgess (QM London)
7. T. Horbury (Imperial College London)
8. R. Grappin (LPP)
9. E. Papini (U. Florence)
10. L. Sorriso-Valvo (U. Calabria)
11. L. Matteini (LESIA)
12. O. Alexandrova (LESIA)
13. M. Maksimovic (LESIA)
14. A. Zaslavsky (LESIA)
15. F. Pantellini (LESIA)
16. D. Kuzzay (LESIA)
17. D. Stansby (doctorant, Imperial)
18. L. Bercic (doctorante, Meudon/Florence)
19. D. Trotta (doctorant, QM)
20. V. Motagud-Camps, (doctorant, LPP)

Programme scientifique

L’atelier portera principalement sur 3 thématiques (pour chacune les chercheurs les plus impliqués sont indiqués. La séparation n’est pas rigide et plusieurs interactions entre différents thèmes sont possibles, plusieurs chercheurs seront concernés par plus qu’une thématique) :

1. Le développement de la turbulence dans les plasmas sans collisions et la transition de la cascade de fluide à cinétique. L’importance des processus d’échange d’énergie entre fluctuations et particules et estimation des taux de chauffage des différentes espèces du plasma, ions et électrons.
Études qui se baseront en particulier sur des nouvelles simulations hybrides en 3D et les données à haute résolution de la mission NASA/MMS.
(Franci, Chen, Burgess, Horbury, Alexandrova, Sorriso-Valvo, Kuzzay, Papini, Trotta)

2. L’évolution des propriétés du plasma et de la turbulence au cours de l’expansion du vent solaire. Profils radiaux, évolutions des spectres de fluctuations et bilan énergétique.
Pour ces aspects on utilisera le modèle dit de la "boite en expansion" appliqué à des codes MHD et hybride, à comparer avec les observations en fonction de la distance héliocentrique effectuées par Helios et Ulysses, et en préparation des futures mesures proche du Soleil par Parker Solar Probe et Solar Orbiter. (Hellinger, Grappin, Verdini, Zaslavsky, Montagud-Camps, Stansby)

3. Le rôle des fonctions de distribution non-thermiques dans la structuration du vent solaire, en particulier le flux de chaleur électronique et sa contribution à l’accélération du vent.
Dans ce cadre nous prévoyons d’exploiter un modèle numérique totalement cinétique, qui inclut aussi les effets des collisions Coulombiennes (importantes pour décrire efficacement les propriétés des électrons), le code BiCoP à développé au LESIA. Les résultats seront validés par les observations in situ des distributions des électrons et fournissent également des contraintes pour le plasma coronal.
(Matteini, Landi, Pantellini, Maksimovic, Bercic)

Monday
12:30 Lunch
14:00-15:15 Welcome, introduction and planning of discussions for the week
15:15-15:45 coffee break
15:45-16:30 Roberts: The sub ion scale spectra of the magnetic field:
turbulence? whistler waves? coherent structures? (an)isotropy?
16:30-17:00 Matteini: 1/f and magnetic compressibility: what’s the link?
17:00-17:45 discussions
17:45- welcome cocktail

Tuesday
9:45-10:30 Grappin: Balance between dynamo and Alfvén relaxation in the
solar wind
10:30-11:00 coffee break
11:00-11:45 Landi: magnetic spectrum anisotropy and intermittency in high
resolution hybrid simulations
11:45-12:30 Alexandrova: Coherent structures across turbulent spectrum.
12:30-13:45 lunch
13:45-14:30 Chen: MMS measurements of magnetosheath turbulence.
14:30-15:15 Franci: Hide and seek with KAWs
15:15-16:00 discussions
16:00-16:30 coffee break
16:30-18:00 discussions/work in groups

Wednesday
9:45-10:30 Kuzzay: A local approach to energy transfers in turbulent MHD
flows
10:30-11:00 coffee break
11:00-11:45 Hellinger: Turbulent cascades: Hybrid simulations
11:45-12:30 Verdini: Is dynamic alignment at work in fluid turbulence?
comparison of solar wind and MHD simulations
12:30-13:45 lunch
13:45-14:30 Papini: Statistical properties of Magnetic reconnection and
turbulence in Hall-MHD and hybrid-PIC simulations.
14:30-15:15 Velli: Some thoughts on constant amplitude Alfvén waves,
turbulence, and reconnection
15:15-16:00 discussions
16:00-16:30 coffee break
16:30-18:00 discussions/work in groups

Thursday
9:45-10:30 Krishna-Jagarlamudi: Study of Whistlers in Inner Heliosphere 10:30-11:00 coffee break
11:00-11:45 Bercic: The scattering of strahl electrons in the solar wind between 0.3 and 1 au: Helios observations
11:45-12:30 Perrone: proton heating in the radial evolution of pure high-speed
streams
12:30-13:45 lunch
13:45-14:30 Montagud Camps: Numerical study of turbulent heating and
spectral anisotropy between 0.2 and 1 AU
14:30-15:15 Stansby: Why is the distribution of temperature anisotropy inside
0.8 AU bimodal?
15:15-16:00 discussions
16:00-16:30 coffee break
16:30-18:00 discussions/work in groups

Friday
9:45-10:30 Zaslavsky: Proton heating in the solar wind
10:30-11:00 coffee break
11:00-11:45 Maksimovic: On the electric field which accelerates the Solar Wind
protons: theory and observations
11:45-12:30 final discussions
12:30 Lunch
14:00 - if people around, discussions can continue in the afternoon