MATIÈRE (physique)Plasmas

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Instabilités et turbulence dans les plasmas

La formation de vagues à la surface de l'eau sous l'effet du vent ou le développement de la turbulence dans les écoulements hydrodynamiques à nombre de Reynolds élevé sont des manifestations familières des instabilités et de la turbulence dans les fluides. Les plasmas, qui sont des fluides constitués de particules chargées, peuvent être de même le siège de nombreux phénomènes instables, conduisant éventuellement à une turbulence développée. L'existence d'un grand nombre de types d'ondes dans les plasmas y rend possible des formes très variées d'instabilités et de turbulence. Les instabilités qui se développent dans un plasma sont toujours le résultat d'une situation hors équilibre. Le plasma peut, par exemple, occuper une région de l'espace et chercher à se déplacer vers une autre, plus favorable du point de vue énergétique : c'est le cas des instabilités magnétohydrodynamiques qui affectent le confinement magnétique des plasmas et qui peuvent conduire à des déplacements macroscopiques du plasma dans son ensemble. Plus spécifiques de l'état plasma, les instabilités dites « cinétiques » mettent en jeu l'interaction des ondes se propageant dans le plasma et de groupes de particules, appelées « particules résonantes », dont les vitesses s'accordent avec les vitesses de phase des ondes considérées. L'instabilité se développe alors dans l'espace des vitesses et peut conduire à une modification importante des fonctions de distribution des particules. C'est par exemple le cas des instabilités faisceau-plasma, déclenchées par le passage dans un plasma de faisceaux de particules chargées. Les instabilités et la turbulence qui en résulte tendent à reconstituer des fonctions de distributions maxwelliennes. Enfin, si le plasma est traversé par une onde, en particulier électromagnétique, de grande amplitude, les oscillations des particules chargées au sein de cette onde peuvent donner lieu à l'excitation progressive d'ondes secondaires (deux ou plus) qui pompent l'énergie de l'onde de grande amplitude. Ces instabilités sont dénommées « instabilités paramétriques », par analogie avec les phénomènes de résonance paramétrique en mécanique. On parle aussi de couplages non linéaires d'ondes dans la mesure où le développement de ces instabilités peut être relié au caractère non linéaire de la réponse du plasma au champ électrique des ondes. Ces instabilités jouent un rôle crucial dans l'interaction d'ondes laser avec les plasmas.

Les instabilités dans les plasmas ont pour effet de redistribuer les particules dans l'espace réel ou dans l'espace des vitesses, ou bien encore de redistribuer l'énergie entre les différentes ondes susceptibles de se propager dans le plasma. La redistribution des vitesses dans l'espace s'accompagne d'une modification du spectre des ondes, l'ensemble pouvant dans certains cas être décrit par une théorie « quasi linéaire » qui prédit en particulier que les particules se réorganisent de façon à stabiliser les ondes initialement instables.

Les états turbulents qui résultent du développement des instabilités peuvent être de nature différente en fonction des caractéristiques initiales du plasma et des causes des instabilités. Ainsi, on qualifie de turbulence magnétohydrodynamique l'état issu du développement d'instabilités magnétohydrodynamiques, ou de turbulence de Langmuir l'état résultant d'oscillations, rendues désordonnées par des mécanismes instables, de type plasma électronique.

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Irving Langmuir et E. D. MacArthur

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  • : docteur d'État, directeur de recherche au C.N.R.S.

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Pour citer l’article

Patrick MORA, « MATIÈRE (physique) - Plasmas », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 05 juillet 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/