VKS-dynamo – VKS

CONTEXTE Larmor fut le premier à proposer en 1919 que le champ magnétique solaire pouvait être créé par un écoulement de fluide conducteur de l'électricité. L'observation en laboratoire d'une dynamo fluide n'a pas été possible qu'en 2000, à Riga et Karlsruhe, dans des écoulements géométriquement très contraints. La collaboration VKS a observé la première dynamo expérimentale engendrée dans un écoulement non contraints et pleinement turbulent (en sodium liquide) en 2006 (experience-VKS). L'expérience a aussi démontré, pour la première fois dans en laboratoire, l'existence de renversements du champ magnétique qui possèdent des caractéristiques communes avec les renversements du champ terrestre. De nombreux autres régimes présentant une richesse dynamique ont aussi été observés. Le projet dynamo-VKS s'attachera à décrire quantitativement ces différents états dynamos grâce à la mise en place de mesures magnétiques 3D spatialement résolues, de nouvelles techniques de vélocimétrie en sodium liquide, ainsi que caractérisations globales des grandeurs hydrodynamiques et magnétiques. Ce programme permettra de comprendre la croissance, la saturation, les interactions non-linéaires des modes dynamos observés, ainsi que l'influence des conditions aux limites. QUESTIONS OUVERTES Les états dynamos observés se développent sur un écoulement fortement turbulent. Le champ de vitesse, tout comme le champ magnétique engendré possèdent une composante moyenne et de fortes fluctuations. • Compréhension des rôles respectifs du champ moyen et des fluctuations du champ de vitesse. Suivant une analogie avec les transitions de phase, il est important d'étudier les lois d'échelle du champ moyen et des fluctuations au-delà du seuil dynamo. Une des motivations pour la réalisation d'une dynamo en l'absence d'éléments ferromagnétiques (qui rendent la bifurcation imparfaite) est de valider/infirmer la théorie de Landau pour des instabilités se développant en présence de fortes fluctuations. • Influence de la rotation globale. Il n'y a pas de preuve formelle de la possibilité d'un abaissement du seuil dynamo en présence de rotation globale, une idée pourtant largement acceptée dans la communauté. La variété des modes de forçage dans l'expérience VKS permets d'étudier en détail cette question. • Mécanismes de saturation. L'action du champ magnétique sur le champ de vitesse par la force de Lorentz conduit à la saturation du champ magnétique. Il est couramment admis que les fluctuations à petite échelle (celles pour lesquelles l'énergie cinétique est du même ordre que l'énergie magnétique associée au champ dynamo) sont les premières à être modifiées. Cependant, ce point n'a jamais été confirmé expérimentalement. • Dynamique et renversements. Un dernier point concerne la dynamique à grande échelle du champ magnétique au delà du seuil dynamo, et en particulier les mécanismes possibles de renversement du champ. Les modèles de renversements du champ magnétique sont basés sur des mécanismes de sortie d'un état métastable en raison du bruit, d'oscillations de relaxation ou d'orbites hétéroclines pour des systèmes dynamiques de basse dimensionnalité. Ces hypothèses pourront être évaluées quantitativement à partir des données expérimentales. PROGRAMME DE TRAVAIL La première partie de notre projet s'attachera à décrire précisément les régimes dynamos observés jusqu'à présent. Un développement intensif de l'instrumentation permettra une description spatio-temporelle détaillée des champs de vitesse et magnétiques (champ moyen et fluctuations), de leurs corrélations, de la puissance nécessaire au maintien des différents régimes dynamos, etc. L'obtention d'une dynamo sans éléments de forte perméabilité magnétique est l'objet d'une intense compétition internationale et constitue l'objectif de la seconde partie du projet. Une étude détaillée de l'influence des conditions aux limites sur le seuil dynamo et la saturation permettra de définir les modifications à apporter à l'écoulem