Simulation MHD de l’interaction du vent solaire avec Uranus

Ceci est un exemple d’utilisation du code MPI-AMRVAC (amrvac.org) pour la simulation de magnétosphères et/ou d’étoiles en rotation. La difficulté principale de ce type de simulations est que l’astre (planète, étoile) est en rotation, ce qui implique que le repère de ce dernier (et donc le bord interne de la simulation) n’est pas inertiel. L’autre difficulté est que le champ magnétique dipolaire de l’astre décroît rapidement comme 1/R³ où R est la distance au centre de l’astre. Cette décroissance implique un très fort contraste d’intensité de champ magnétique entre la surface de l’astre et les régions les plus éloignées du domaine de simulation (typiquement plusieurs dizaines/centaines de fois le rayon R). Ce fort contraste de champ magnétique implique une forte augmentation de la vitesse d’Alfvén  vA de l’extérieur du domaine vers la surface (la vitesse d’Alfvén, vitesse caractéristique de propagation des perturbations magnétiques étant proportionnelle à l’intensité du champ magnétique) et par conséquence une forte réduction du pas de temps dt autorisé dans la simulation, ce dernier étant contraint par une condition de stabilité de type  dt < dx/vA ou dx est la taille caractéristique du maillage du domaine de simulation.

 

La simulation ci-dessous est un exemple de simulation magnétohydrodynamique (MHD) 3D de l’interaction du vent solaire avec la magnétosphère d’Uranus obtenue avec le code AMRVAC. Les flèches indiquent la direction de l’écoulement avec le vent solaire soufflant dans la direction -z. Les tubes gris des lignes de champ magnétiques passant par la courbe noire, laquelle est fixe dans l’espace. Le champ intrinsèque de la planète est un dipôle dont l’axe est dans le plan (y,z), ainsi les zones rouges et bleues à la surface de la planète correspondent aux polarités magnétiques nord et sud. L’axe de rotation de la planète est aligné sur l’axe x, càd perpendiculairement à la direction d’écoulement du vent (période d’équinoxe). Le champ magnétique transporté par le vent solaire est choisi également aligné sur l’axe x (choix arbitraire). L’échelle de couleurs indique l’intensité du paramètre beta=pression thermique/pression magnétique. Les zones de fort beta sont souvent des lieux de reconnexion magnétique, càd des lieux où le champ planétaire et le champ interplanétaire (celui transporté par le vent solaire) se connectent ou déconnectent d’entre eux. Soulignons que les paramètres utilisés dans la simulation ne sont pas exactement ceux d’Uranus. Par exemple, outre le fait que les orientations des axes ne sont pas précisément ceux d’Uranus, la vitesse angulaire de la planète a été augmentée d’un facteur 10 faisant passer sa période de 17h à 1.7h (plus de détails dans la thèse de L. Griton).