Instabilités Magnéto-Inertielles – IMAGINE

Le groupe de recherche « Ecoulements tournants et géophysiques » de l'IRPHE possède puisque plusieurs années une expertise dans le domaine des instabilités des écoulements tournants. En particulier, des études théoriques et expérimentales ont été effectuées depuis 1996 sur l'instabilité elliptique des vortex et depuis le début de 2005 sur des instabilités de précession. Ces deux programmes sont basés sur des méthodes expérimentales et des investigations analytiques. Les phénomènes impliqués dans ces deux instabilités sont très liés, et toutes les deux bénéficient directement d'une forte collaboration mutuelle. Leurs motivations concernent tout d'abord des applications industrielles, liées en particulier à l'aéronautique (instabilités elliptiques des vortex des avions, instabilités de precession des réservoirs liquides tournants des fusées…). Cependant, de telles instabilités inertielles peuvent également être présentes dans beaucoup de systèmes tels que les atmosphères ou les océans stratifiés ou dans les noyaux liquides de certaines planètes et satellites (la Terre, Io, Ganymède…), où elles pourraient influencer ou même piloter les processus de génération d'un champ magnétique. Le succès récent de trois expériences de dynamo (Riga, Karslruhe et Cadarache ont prouvé que si la puissance injectée dans un écoulement de métal liquide est suffisante mais également si la géométrie de ces derniers est correctement choisie, une croissance d'un champ magnétique est possible comme prévue par la théorie. Cependant, le mécanisme exact de la génération d'un champ magnétique en particulier dans les noyaux planétaires est toujours une question en suspens. Ce problème est le sujet d'une compétition internationale intense avec des calculs numériques qui simulent des geodynamos obtenues par convection ou des geodynamos de precession ainsi que des expériences sur les écoulements MHD géophysiques. L'idée classique d'une dynamo induite par convection pour la Terre se fonde sur l'existence d'un noyau intérieur solide dont la cristallisation fournit l'énergie pour les mouvements liquides. Ce scénario présente cependant plusieurs inconvénients tels que 1) l'origine de l'énergie dans la terre primitive tandis que le noyau intérieur solide n'existe pas encore, 2) l'applicabilité du modèle de la dynamo de la terre à d'autres planètes, particulièrement à Io et à Ganymede où la dynamo convective ne peut pas s'appliquer. Nous voulons ainsi étudier la présence et le rôle dans des noyaux planétaires des mouvements liquides induits par d'autres types de force, tels que la précession et les marées luni-solaires. En particulier, nos principaux objectifs seront de mesurer les caractéristiques des instabilités inertielles des écoulements de fluides tournants dans les configurations où ils sont couplés à d'autres phénomènes qui peuvent être rencontrés (mais pas seulement) dans des configurations géophysiques. En plus des aspects purement géométriques (présence d'un noyau intérieur solide, aplatissement aux pôles…), nous souhaitons étudier leurs interactions avec d'autres mécanismes dont l'importance dans les noyaux planétaires a été déjà soulignée, en particulier la présence d'un champ magnétique et/ou des mouvements convectifs. Le présent projet correspond à une évolution naturelle interdisciplinaire des programmes scientifiques initiaux du groupe de recherche et a déjà permis la participation au GDR « dynamo » et à certains programmes de l'INSU. Il a également déjà reçu l'appui du CNRS par le recrutement d'un jeune géophysicien (M. Le Bars) et a mené à la création d'une nouvelle équipe à l' IRPHE. Cette équipe sera renforcée par la visite d' A. Tilgner du laboratoire de géophysique de Göttingen (position DR2 non-permanente du CNRS obtenue pour 2007) et par une collaboration avec J. Aubert de l'Institut de Géophysique du Globe (Paris). La proposition est ainsi fondée sur un bon équilibre et une forte complémentarité entre les expérimentateurs et les théoriciens d'une part, les hydrodynamiciens et les géophysiciens d'autre part. De plus l'équipe sera complétée par le recrutement d'un post-doctorant spécialisé dans les simulations numériques des instabilités des écoulements tournants. Ceci permettra de développer dans l'équipe une expertise pour la simulation numérique de ce type d'écoulements. Notons également que le caractère interdisciplinaire de notre programme sera encore renforcé par une collaboration avec des chercheurs du LI2C dont l'expertise en chimie des métaux liquides et des ferrofluides sera nécessaire afin de développer la partie magnétohydrodynamique du projet.