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Turbulence et dynamo dans les noyaux planétaires – TuDy

Deux expériences de laboratoire DTS-Oméga et ZoRo vont apporter un nouvel éclairage sur la turbulence et l'effet dynamo dans les noyaux planétaires.

Les simulations numériques de la dynamo ont démontré le rôle de la rotation dans la génération du champ magnétique des planètes et des étoiles. Cependant, l'organisation des fluctuations de petite échelle demeure inaccessible à ces simulations. Si nous tentons de construire des scénarios plausibles des cascades d'énergie cinétique et magnétique depuis les grandes échelles observées, nous observons que les idées classiques sur la turbulence MHD prédisent une dissipation trop élevée pour le noyau.

Explorer le rôle de la rotation et du champ magnétique sur l'organisation et la dissipation de la turbulence.

Si nous tentons de construire des scénarios plausibles des cascades d'énergie cinétique et magnétique depuis les grandes échelles observées, nous observons que les idées classiques sur la turbulence MHD prédisent une dissipation trop élevée pour le noyau terrestre. Nous pensons que la résolution de ce paradoxe se trouve dans le fort rôle de la rotation sur la dissipation de la dynamo. Pour explorer cette idée, nous proposons un projet organisé autour de deux expériences de laboratoire, complèté et étendu par des simulations numériques.

La première expérience, appelée DTS-Oméga, est dédiée à l'étude de la turbulence magnétostrophique. Elle constitue une extension de l'expérience DTS de Couette sphérique sous champ magnétique, et repose sur l'expertise unique que nous avons développée dans la conduite d'expériences utilisant du sodium liquide. Des données préliminaires de DTS suggèrent que la turbulence est fortement réduite lorsque rotation et champ magnétique sont présents simultanément. L'expérience que nous proposons permettra une compréhension approfondie de ce phénomène. Elle tire profit d'une percée instrumentale que nous avons préparée au cours de l'année passée, et qui consiste en une électronique embarquée DTSNum qui permet d'enregistrer plus de 200 canaux à des fréquences d’échantillonnage jusqu'à 10kHz.

La deuxième expérience, nommée ZoRo, est destinée à éclairer la génération des mouvements zonaux dans les noyaux planétaires convectifs. De nouvelles idées excitantes sont apparues ces dernières années, reposant sur le mélange de vorticité potentielle. Cependant, elles ont été principalement développées dans le contexte de couches minces, telles que l'atmosphère ou les océans, à la surface d'une sphère. La donne change dans les noyaux planétaires où les mouvements zonaux et les colonnes quasi-geostrophiques peuvent s'étendre à travers une couche fluide très grande. L'expérience que nous proposons est loin d'être facile car nous voulons obtenir une convection suffisamment vigoureuse et une rotation assez grande pour former un grand nombre de jets zonaux. Les mesures sont loin d'être triviales dans une telle situation, mais nous espérons obtenir des résultats novateurs en utilisant une version modifiée de l'électronique DTSNum.

Des simulations numériques nous aideront à lier ces deux sujets fondamentaux à la modélisation de la géodynamo. En particulier, nous étendrons les résultats de l'expérience ZoRo en développant un code hybride quasi-géostrophique de dynamo convective.

à venir.

à venir.

à venir.

Au cours de la dernière décennie, nous avons appris énormément quant au rôle de la rotation sur la génération des champs magnétiques des planètes et des étoiles. Les simulations numériques de dynamos convectives ont joué un rôle majeur dans cette révolution. Cependant, l’organisation des fluctuations de petite échelle demeure inaccessible à ces simulations. Si nous tentons de construire des scenarii plausibles de la cascade vers les petites échelles des énergies cinétiques et magnétiques depuis les grandes échelles qui sont mesurées, nous constatons que les idées communément admises sur la turbulence magnétohydrodynamique prédiraient des dissipations visqueuses irréalistes pour le noyau terrestre. Nous pensons que la solution à ce paradoxe réside dans le fort contrôle de la rotation sur la dissipation de la dynamo. Pour explorer cette idée, nous proposons un projet organisé autour de deux expériences de Laboratoire, renforcées et étendues par des simulations numériques.

La première expérience, baptisée DTSOméga, est dédiée à l’étude de la turbulence magnétostrophique. C’est une extension de l’expérience DTS d‘écoulement de Couette sphérique sous champ magnétique, et elle s’appuie sur l’expertise unique que nous avons acquise dans la mise en œuvre d’expériences utilisant du sodium liquide. Des données précoces de DTS suggèrent que la turbulence est fortement réduite lorsque rotation et champ magnétique sont présents simultanément. L’expérience que nous proposons permettra une compréhension beaucoup plus profonde de ce phénomène. Elle profite d’une percée expérimentale que nous avons préparée au cours de l’année passée, qui consiste en une électronique embarquée, appelée, DTSNum permettant l’enregistrement de plus de 200 voies de mesure à un taux d’échantillonnage jusqu’à 10kHz.

La deuxième expérience, appelée ZoRo, est destinée à éclairer la question de la génération des mouvements zonaux au sein des noyaux planétaires. Ces dernières années ont vu l’émergence d’idées excitantes faisant appel au mélange de vorticité potentielle. Cependant, elles ont été explorées principalement dans le contexte des couches minces, telles l’océan ou l’atmosphère, à la surface des planètes. Le fait que les mouvements zonaux et les colonnes quasi-géostrophiques peuvent s’étendre sur toute la hauteur du fluide dans les noyaux planétaires change la donne. L’expérience que nous proposons est un challenge dans la mesure où nous voulons obtenir une convection et une rotation assez fortes pour amener la formation d’un grand nombre de bandes zonales. Les mesures sont loin d’être évidentes dans une telle situation, mais nous espérons obtenir des résultats novateurs, en utilisant une version modifiée de l’électronique DTSNum.

Les simulations numériques nous aiderons à relier ces deux sujets fondamentaux à la modélisation de la géodynamo. En particulier, nous étendrons les résultats de l’expérience ZoRo en développant un modèle hybride quasi-géostrophique de dynamo convective.

Notre projet s’appuie sur l’expertise d’un partenaire unique : l’équipe géodynamo d’ISTerre. Il profitera grandement des fortes collaborations internationales que nous avons établies avec plusieurs partenaires. Le sujet que nous traitons est très interdisciplinaire et les contacts que nous avons établi depuis longtemps avec nos collègues d’autres communautés (physique, mécanique des fluides, astrophysique, sciences de l’ingénieur, etc) sont essentielles.

Coordinateur du projet

Institut des Sciences de la Terre (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut des Sciences de la Terre

Aide de l'ANR 276 400 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2013 - 48 Mois

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