doctorant H/F - transfert d'énergie dans les plasmas spatiaux turbulents

Description du Poste

Sujet De Thèse

Contexte scientifique et hypothèse :

Environ 99 % de l’Univers visible est constitué de plasma, un gaz ionisé composé de particules chargées correspondant au « quatrième état de la matière ». Les plasmas sont omniprésents dans la nature, depuis la couronne solaire et le vent solaire jusqu’aux magnétosphères planétaires et aux systèmes stellaires. Ils sont également au cœur de plusieurs technologies stratégiques, telles que la fusion nucléaire et les dispositifs médicaux de pointe. Malgré la diversité des environnements dans lesquels ils existent ou sont créés, les plasmas partagent une propriété fondamentale : leur dynamique est fortement non linéaire et caractérisée par des interactions sur une large gamme d’échelles spatiales et temporelles.

En particulier, les plasmas spatiaux sont des systèmes fortement turbulents dans lesquels l’énergie est continuellement injectée, transférée par des interactions non linéaires entre les différentes échelles impliquées dans leur dynamique, puis finalement dissipée. Aux plus petites échelles, les effets cinétiques deviennent de plus en plus importants, et l’énergie contribue finalement au chauffage du plasma et est transférée aux ions et aux électrons par différents mécanismes, notamment la reconnexion magnétique et les interactions onde-particule. Les échanges d’énergie entre les composantes cinétique, magnétique et thermique jouent également un rôle important dans la dynamique des plasmas turbulents.

La caractérisation du transfert d’énergie dans les plasmas spatiaux, depuis les sources d’énergie, en passant par la direction de la cascade énergétique, jusqu’à la dissipation, demeure un problème fondamental ouvert en physique des plasmas. En particulier, la connexion entre les cascades turbulentes aux échelles de la magnétohydrodynamique (MHD) et les phénomènes responsables du transfert et de la dissipation de l’énergie aux échelles cinétiques reste seulement partiellement comprise. Compte tenu de la complexité de ce cadre fortement non linéaire, une caractérisation complète de la manière dont l’énergie est redistribuée sur la vaste gamme d’échelles dynamiques considérée, depuis les échelles caractéristiques des phénomènes solaires et héliosphériques jusqu’aux échelles ioniques et électroniques, ainsi que l’étude des transferts d’énergie directs et inverses dans les plasmas spatiaux, nécessite une analyse approfondie des flux d’énergie, des quantités quadratiques fondées sur les champs de vitesse et magnétique, ainsi que de la propagation des ondes plasma. Cette approche peut être rendue possible en combinant des observations spatiales de pointe, des simulations numériques tridimensionnelles à haute résolution et une modélisation théorique.
Objectifs :

L’objectif principal de cette thèse est de caractériser quantitativement les transferts d’énergie dans les plasmas spatiaux à partir de jeux de données issus de missions mono- et multi-satellites, de calculs haute performance et d’approches théoriques avancées, afin d’étudier l’évolution de la turbulence dans le vent solaire et dans les environnements planétaires, tels que la magnétosphère terrestre, ainsi que son interaction avec la propagation des ondes plasma. Le projet portera sur l’étude des propriétés spectrales et statistiques de la turbulence, de l’intermittence, ainsi que des signatures des structures cohérentes, de la reconnexion magnétique et de la propagation des ondes. À l’aide de simulations numériques à haute résolution, les mécanismes physiques pertinents identifiés à travers l’analyse des observations spatiales seront étudiés pour une gamme de paramètres directement pertinents pour les plasmas du vent solaire et de la magnétosphère. En particulier, le transfert d’énergie depuis le domaine MHD vers les régimes dans lesquels les effets cinétiques deviennent importants sera étudié, ainsi que les principaux mécanismes responsables de la dissipation et de la conversion de l’énergie aux échelles ioniques et électroniques.
Méthodologie :

Le projet combinera l’analyse de données spatiales, des simulations numériques à haute résolution et une modélisation théorique. Les jeux de données issus des satellites seront utilisés pour caractériser les fluctuations des champs magnétique, de vitesse et d’autres champs pertinents, ainsi que l’évolution des fonctions de distribution de probabilité des différentes espèces du plasma. Les observations provenant de missions de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), en particulier Solar Orbiter, ainsi que de missions de la JAXA et de la NASA, seront analysées dans le cadre du projet. Des travaux préparatoires en soutien à de futures missions, telles que Plasma Observatory et HelioSwarm, seront également réalisés.

Selon le régime physique considéré, différentes approches numériques pourront être employées, notamment des simulations pseudo-spectrales, de type lattice-Boltzmann et cinétiques de type Vlasov. Celles-ci permettront d’explorer une gamme de paramètres directement pertinents pour les plasmas héliosphériques et magnétosphériques et de caractériser les mécanismes étudiés à travers les observations spatiales.

Les outils développés dans le cadre du projet seront utilisés pour évaluer les transferts d’énergie entre les différentes échelles, les échanges d’énergie entre les composantes cinétique, magnétique et thermique, ainsi que les propriétés statistiques des champs de plasma dans l’espace. Des techniques d’apprentissage automatique seront mises en œuvre pour l’analyse de grands jeux de données observationnels et numériques, en synergie avec les analyses statistiques classiques et de nouvelles méthodologies mathématiques.
Impact :

Ce travail apportera de nouvelles connaissances sur les mécanismes régissant les transferts et la dissipation de l’énergie dans les plasmas spatiaux turbulents. À plus long terme, les résultats contribueront à améliorer les modèles d’évolution des plasmas solaires et héliosphériques et permettront ainsi d’améliorer la qualité des prévisions de météorologie spatiale et de soutenir la préparation de futures missions spatiales, notamment la mission Plasma Observatory de l’ESA, grâce au développement d’outils permettant d’analyser de grands jeux de données observationnels.

Une meilleure compréhension de la manière dont l’énergie est transférée et de la manière dont différents types d’instabilités se développent dans les plasmas turbulents présente également un intérêt plus large pour la physique des plasmas et ses applications technologiques, notamment les plasmas de fusion. La caractérisation du transport turbulent et des interactions non linéaires entre des structures à différentes échelles constitue en effet un défi commun aux plasmas astrophysiques et de laboratoire. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet pourront ainsi contribuer à renforcer les liens entre les communautés travaillant sur les plasmas astrophysiques, de fusion et fondamentaux.

Votre Environnement de Travail

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration franco-japonaise entre le CNRS et l’Université de Tokyo, réunissant des expertises en physique des plasmas turbulents, en modélisation numérique et théorique des plasmas et en analyse de données spatiales. Le projet bénéficiera également de collaborations avec des institutions françaises et européennes impliquées dans la recherche sur la turbulence et les plasmas spatiaux ainsi que dans les missions de l’Agence Spatiale Européenne, notamment Solar Orbiter et Plasma Observatory.

Le doctorant ou la doctorante sera basé(e) à l’École Centrale de Lyon, où il/elle effectuera ses recherches sous la direction de Raffaele Marino au sein du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique. Il/elle bénéficiera d’un environnement de recherche interdisciplinaire à l’interface entre physique des plasmas, mécanique des fluides, calcul haute performance et analyse de données expérimentales. Le projet de thèse dispose d’un financement dédié aux séjours de recherche au Japon, permettant au doctorant ou à la doctorante de travailler directement avec les partenaires de l’Université de Tokyo et de bénéficier de leur expertise. Des séjours de recherche dans d’autres institutions européennes sont également envisagés dans le cadre des collaborations scientifiques du projet de thèse.

Contraintes et risques

Contraintes : Le poste sera basé à l’École Centrale de Lyon et impliquera des séjours de recherche au Japon. Des séjours dans des institutions partenaires européennes pourront également être envisagés. Le projet nécessitera l’utilisation de ressources de calcul ainsi que l’analyse de grands volumes de données issues de missions spatiales.

Risques : Le projet ne comporte pas de risques expérimentaux, biologiques ou chimiques spécifiques. Les principaux points d’attention sont liés à l’utilisation intensive d’infrastructures de calcul haute performance et aux déplacements internationaux.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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