Caractérisation des océans enfouis dans le Système Solaire externe – COLOSSe

Notre projet allie à la fois une approche de modélisation numérique et le développement d’expériences de laboratoire. Les collègues recrutés dans le cadre du projet COLOSSe mettent en oeuvre l’une ou l’autre de ces méthodes.

Les aspects modèles numériques reposent sur des outils de calculs que nous développons pour tout ou partie. Ainsi, au LPG, l’outil PARODY-PIC a été produit lors de sa thèse par Mathieu Bouffard, embauché comme postdoc dans ce projet. Il permet des simulations de geodynamo et nous l’avons utilisé pour décrire la dynamique convective 3D d’une couche liquide sphérique en rotation (code PARODY) et Mathieu y a ajouté un schema pour le transport purement advectif (sans introduire de la diffusion numérique). Les travaux de Filipe Terra-Nova sont produits avec un code comparable (MAGIC) dont Thomas Gastine est l’un des développeurs. C’est aussi ce second outil qui a été couplé au schema avec le champ de phase produit par Benjamin Favier. Enfin, l’outil MilleFEuiIle avec une approche éléments finis pour une coquille de glace dont la frontière inférieure est un changement de phase a été développé par Martin Kihoulou lors de sa thèse en cotutelle entre Nantes et Prague, financée par le projet COLOSSe.

Du côté de l'IRPHE, nous avons utilisé deux approches complémentaires: expérimentale et numérique. Deux dispositifs ont été mis en place. Pour le forçage de précession, une cuve sphéroïdale remplie d'eau a été mise en rotation selon deux axes, générant diverses instabilités selon l'angle et le rapport des vitesses de rotation. Pour la libration, une cuve cylindrique contenant de l'eau salée stratifiée en densité a été employée. L'option d'un fond topographique imprimé en 3D a été rapidement abandonnée, le cas à fond plat révélant déjà une dynamique riche et suffisante pour le projet. Enfin, les simulations numériques ont été réalisées avec le code libre Nek5000 (méthode des éléments spectraux).

Une collaboration entre l'IRPHE et l'IPGP a émergé grâce à ce projet. Le code pseudo-spectral libre MagIC a été enrichi par l'ajout d'une méthode de champ de phase, développée à l'IRPHE, afin de traiter les changements de phase liquide-solide. Cette avancée a permis de réaliser les premières simulations idéalisées de convection en rotation dans une coquille sphérique, où la dynamique de l'interface liquide-solide en surface est explicitement résolue sous certaines hypothèses.

Cette rubrique énumère les résultats obtenus dans le cadre du projet COLOSSe. En bref, ce projet qui visait à « établir » une nouvelle discipline n’a pas démérité, mais il est loin de l’avoir close.

Une première tâche concernait la convection d’un océan en rotation. C’est celle qui intervenait le plus tôt dans notre programme ; nous avons ainsi étudié comment la dynamique convective des océans pouvait être façonnée par la chaleur traversant le plancher océanique. Deux exemples précis, fort distinct, sont envisagés : Encelade et Ganymède. Une synthèse pour l’ensemble des lunes a aussi été produite. Nous avons aussi entamé un débat sur le rôle de la salinité, entretenu depuis plusieurs années par d’autres équipes de chercheurs.

Un second thème d’étude avait trait aux forçage autres que la poussée d’Archimède. D'une part, nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme de forçage des modes d'inertie par précession, associé à de nouvelles instabilités. Bien qu'inopérant sur Terre (rapport de rotations trop faible), ce mécanisme pourrait exister sur d'autres planètes ou lunes. D'autre part, dans le cas du mélange stratifié par forçage mécanique, nous avons identifié deux régimes successifs : un premier, classique, lié à la destruction de la stratification par un écoulement pariétal intense, et un second, encore mal compris, aux temps beaucoup plus longs. Ces résultats ont été confirmés par des simulations numériques directes.

Le dernier axe vise à étudier les interactions entre l’océan et la croûte de glace. Il découle des précédents, et a pu être conduit de manière relativement indépendante : c’est le cas de l’outil de calcul couplant le schéma incluant un champ de phase avec un code de convection en rotation qui a été mis en oeuvre. Nous avons aussi proposé des modèles pour la croûte de glace avec changement de phase et la topographie qui en résulte, des modèles expliquant des épisodes de « subduction » sur Europe en lien avec une évolution orbitale cyclique, ainsi qu’un travail qui contraint la mécanique des phénomènes éruptifs d’Encelade par les modulations de l’activité observées des geysers.

Nous avons aussi tenté de mieux contraindre la dynamique d’un glacier d’azote de Pluton, caractérisé les échelles de temps de l’altération rocheuse d’Encelade et plaidé pour un retour vers Encelade pour l’exploration de l’ESA - c’est précisément la cible qui a été sélectionnée pour le programme Voyage 2050 !

D'un point de vue expérimental, ce projet a montré qu'il est possible de mesurer le mélange progressif d'une couche stratifiée soumise à un forçage harmonique. Bien que ce mélange soit peu efficace, l'expérience peut être menée sur plusieurs heures, permettant de suivre l'érosion graduelle de la stratification. Ces résultats ouvrent des perspectives pour la réalisation d'expériences de laboratoire dédiées à l'étude du mélange d'une stratification saline sur des temps longs, potentiellement jusqu'à l'homogénéisation complète du fluide. Elles permettraient également d'explorer les différents régimes transitoires dynamiques, dans lesquels le forçage interagit de manière complexe avec la stratification, un domaine encore peu étudié.

D'un point de vue numérique, concernant le couplage convection de l’océan/champ de phase, les perspectives sont nombreuses et concernent notamment l'intégration d'effets thermodynamiques jusqu'ici négligés. En particulier, la dépendance de la température de changement de phase à la pression constitue une limite importante de notre première étude. Par ailleurs, généraliser le modèle au cas d'un flux thermique basal non homogène apparaît comme une piste prometteuse.

Les prochaines étapes correspondront aussi à l’introduction d’un champ de salinité. Un débat important demeure avec des collègues océanographes, essentiellement pour l’océan d’Encelade, au sujet d’une possible/probable couche stratifiée sous la croûte de glace. Nous pensons qu’il est en partie lié à un malentendu concernant la géométrie du forçage idoine sur le plancher océanique. Les outils sont prêt pour traiter ces questionnements en amont de la future mission ESA vers Encelade (Voyage 2050).

Les océans enfouis sous une croûte de glace semblent omniprésents au sein des objets riches en eau du système solaire externe et correspondent à des habitats extraterrestres prometteurs (Europe, Encelade). La plupart des études consacrées aux intérieurs des mondes-océans sont néanmoins focalisées sur les couches solides et les océans eux-mêmes décrits de manière simpliste. Notre projet construit une équipe pluridisciplinaire à la frontière de la planétologie et de la mécanique des fluides afin de lever le voile sur la dynamique de ces objets méconnus. Accomplir cette étude avant les prochaines missions spatiales (JUICE, Europa Clipper) est essentiel afin de définir les observations pertinentes pour contraindre l'état physique des habitats océaniques. Nous proposons une double approche, expérimentale et numérique, pour étudier l'écoulement et la dissipation au sein de l'océan et les conséquences sur la structure de la couche de glace de surface, accessible aux sondes spatiales.