Assimilation de données de la variation séculaire du champ géomagnétique dans des modèles dynamiques du noyau terrestre – AVSGeomag

Ce programme de recherche s’intéresse aux variations du champ magnétique terrestre (le champ géomagnétique) se produisant sur des échelles de temps pluri-annuelles à millénaires, et à leurs origines physiques. Celles-ci sont liées à la dynamique du noyau externe fluide de la Terre, où le champ géomagnétique est créé par un processus dynamo. Le but de ce projet est de mieux contraindre et comprendre les mécanismes physiques à l’origine de la variation séculaire géomagnétique, à la lumière des données disponibles. Nous comptons utiliser à cette fin les méthodes de l’assimilation de données, qui sont bien établies dans des disciplines proches telles que la météorologie et l’océanographie physique, et ont émergé ces dernières années en géomagnétisme. Le but premier de ce programme de recherche est donc de mettre en oeuvre et de valider des outils numériques capables de combiner, de manière optimale, l’information contenue dans un catalogue d’observations géomagnétiques et les contraintes imposées par des modèles dynamiques, en ajustant la trajectoire de ces modèles aux données. Deux modèles dynamiques seront considérés en parallèle, l’un reposant sur une approximation dite quasi-géostrophique, l’autre modélisant explicitement une dynamo convective tri-dimensionnelle. Le modèle quasi-géostrophique est développé sur un champ dynamo pré-existant, et permet d’introduire des simplifications numériques. Il est adapté à la description des variations rapides (pluri-annuelles à décennales) se produisant au sein du noyau. Le modèle tri-dimensionnel présente l’avantage de décrire de manière complète le processus dynamo. Mais sa capacité à décrire les variations rapides du champ est réduite par les limitations numériques. Il est plus adapté à la description des variations géomagnétiques plus lentes (séculaires à millénaires). De ce point de vue, les deux modèles que nous nous proposons d’employer sont donc complémentaires. Chaque modèle sera placé au coeur d’un système d’assimilation visant à permettre l’analyse rétrospective et prospective des données géomagnétiques. Chaque système sera validé de manière intensive, et sa fiabilité testée à l’aide de données synthétiques. Une fois la validation acquise, ces systèmes seront utilisés afin d’assimiler des observations réelles sur une série d’intervalles emboîtés dont le plus long couvrira les deux derniers millénaires. Sur ce dernier intervalle de temps, les observations géomagnétiques constituent en effet un catalogue fortement hétérogène, en termes de distribution et de qualité des données, lesquelles se dégradent substantiellement lorsqu’on remonte le temps. La réanalyse de ce catalogue à l’aide des outils que nous aurons développés permettra de produire une image plus homogène et dynamiquement cohérente du noyau de la Terre à différents horizons temporels. En outre, la comparaison des réanalyses produites avec les deux modèles physiques éclairera la nature des processus contrôlant la variation séculaire géomagnétique, et leurs interactions avec le mécanisme dynamo sous-jacent. Nous comptons enfin exploiter le pouvoir prédictif de nos systèmes, hérité de la dynamique sur laquelle ils s’appuient, et proposer des modèles candidats pour contribuer à la prochaine génération du modèle de champ géomagnétique international de référence (IGRF 2015), ce qui nécessite la production d’un modèle de variation séculaire prédictive pour la période 2015-2020.