Propriétés magnétiques des structures éruptives solaires

Solar eruptions constitute the most energetic phenomena of the solar system. In a few tens of minutes, an energy comparable to hundred thousand times the annual world human energy consumption is released in the solar atmosphere. During these events, magnetized matter, as well as energetic particles and radiations, are ejected toward the interplanetary space and frequently interact with the Earth magnetic environment. For our society, which relies more and more on technologies, the impact of these eruptions is becoming an ever-increasing concern, requiring us to learn how to guard against their detrimental effects. Solar eruption prediction, within the scope of the emerging applied discipline of space weather, requires to understand the physical mechanisms that generates these eruptions. The work presented in this thesis corresponds to fundamental researches in physics of the Sun-Earth relations. The overall objective targets the development of new tools to forecast solar activity. The framework of study of these phenomena is magnetohydrodynamics, the physical paradigm adapted to the study of the hot magnetized plasma that constitutes the solar atmosphere. The present studies focus on analyzing the properties of the source regions of the eruptions, the solar active regions, which main visible counterpart are the solar sunspots. These active regions correspond to intense concentrations of magnetic fields, which constitutes the energy source that fuels the eruptions. Understanding the trigger of solar eruption thus relies on the determination of the magnetic properties of the active regions. The research methodology that is employed is based on close and synergistic combination of different means of investigation; analytical theory, conceptual modeling, numerical experimentation, and multi-wavelength multi-instrument observational analysis. Thanks to these methods, several fundamental quantities and physical properties are being studied: the very magnetic field, its topology and its structuration in potential and non-potential fields, the associated energies, the induced electric currents, and finally magnetic helicity, an underrated quantity up to now. Through the synthesis of about sixty scientific studies, this thesis intends to demonstrate that, while each quantity provides distinct information, these are complementary and enables a global description of eruptive magnetic fields, allowing the creation of an actual 3D standard model for solar eruptions. Regarding solar eruptions prediction, the studies on the theory of the measurement of magnetic helicity, now allow to truly and correctly estimate this quantity and determine its link with eruptivity. Preliminary studies of numerical experiments show that magnetic helicity could be the ground base of efficient diagnostics of the eruptive state of solar active regions.Les éruptions solaires constituent les phénomènes les plus énergétiques du système solaire. En quelques dizaines de minutes, une énergie comparable à cent mille fois la consommation annuelle humaine d'énergie est libérée dans l'atmosphère solaire. Lors de ces évènements, de la matière magnétisée, ainsi que des rayonnements et des particules énergétiques, sont éjectés vers l'espace interplanétaire et peuvent interagir avec l'environnement magnétique de la Terre. Pour notre société toujours plus technologique, l'impact de ces éruptions devient ainsi un enjeu de plus en plus important nécessitant d'apprendre à nous prémunir de leurs effets nocifs. La prévision des éruptions solaires, dans le cadre de la discipline émergente de la météorologie de l'espace, requiert la compréhension des mécanismes physiques générant ces éruptions.Le travail présenté dans ce mémoire, porte sur des recherches fondamentales en physique des relations Soleil-Terre. L'objectif global vise au développement de nouveaux outils de prédiction de l'activité solaire. Le cadre physique dans lequel sont étudiés ces phénomènes est celui de la magnétohydrodynamique (MHD), paradigme adapté aux plasmas chauds magnétisés qui constituent l'atmosphère solaire. L'objet du travail porte sur l'analyse des propriétés des régions sources de ces éruptions solaires, les régions actives, dont les tâches solaires sont la principale signature visible. Ces régions actives correspondent à des concentrations de champs magnétiques intenses, constituant la source d'énergie des éruptions. La compréhension du déclenchement des éruptions solaires repose ainsi sur la détermination des propriétés magnétiques des régions actives.La méthodologie de recherche utilisée se base sur une combinaison étroite et synergique entre différents axes d'investigation, des travaux théoriques de modélisations conceptuelles et analytiques, des expérimentations numériques et de l'analyse observationnelle multi-instruments et multi-longueurs d'ondes d'évènements actifs. A l'aide de ces méthodes, plusieurs grandeurs et propriétés physiques fondamentales sont étudiées : le champ magnétique lui-même, sa topologie et sa structuration en champs potentiel et non-potentiel, les énergies associées, les courants électriques induits et finalement l'hélicité magnétique, quantité dont l'importance a été relativement sous-estimée jusqu'à présent.A travers la synthèse d'une soixantaine de travaux scientifiques, ce mémoire tente de montrer que, bien que chacune de ces quantités apporte un éclairage distinct, elles fournissent des informations complémentaires qui permettent d'aboutir à une description globale des champs magnétiques éruptifs, ce qui se traduit par la mise en place d'un véritable modèle 3D standard des éruptions solaires. Concernant la prédiction des éruptions solaires, les travaux sur la théorie de la mesure de l'hélicité magnétique permettent désormais de véritablement mesurer correctement cette quantité et d'établir son lien avec l'éruptivité. Les études préliminaires d'expériences numériques montrent que l'hélicité magnétique pourrait être à la base de diagnostics efficaces de l'état éruptif des régions actives solaires