Modélisation réaliste des inversions du champ magnétique terrestre – revEarth

1) Des simulations numériques directes (DNS) du noyau terrestre seront effectuées à l'aide d'un programme informatique haute performance (à savoir XSHELLS) pour chronométrer les équations fondamentales de la dynamique du noyau. Pour des paramètres bien choisis, des inversions de champ magnétique peuvent être obtenues si des simulations suffisamment longues sont effectuées.

2) Le fractionnement adaptatif à plusieurs niveaux (AMS) est un algorithme permettant à un DNS de calculer un grand nombre d'événements rares (tels que des inversions) ainsi que leur probabilité d'occurrence, mais sans calculer des simulations extrêmement longues.
Nous l'utiliserons pour calculer efficacement les inversions et les temps de retour associés dans des simulations directes tridimensionnelles exigeantes du noyau terrestre. En résumé, AMS fonctionne avec un ensemble de simulations courtes, parmi lesquelles les plus éloignées d'un retournement sont écartées et remplacées par de nouvelles à partir d'un moment bien choisi parmi les autres simulations. Idéalement, au final, on obtient un ensemble de réalisations que toutes les inversions d'affichage sont obtenues, et le temps moyen entre deux inversions est obtenu avec une bonne précision.

3) Les modèles de circulation générale du manteau (MGCM) sont utilisés pour prescrire des conditions aux limites thermiques réalistes au sommet du cœur. Il n'entre pas dans le cadre de ce projet de développer de nouveaux modèles de manteau. Au lieu de cela, nous nous appuierons sur une suite de MGCM récemment construite par Nicolas Coltice et ses collaborateurs.
Plus précisément, nous utiliserons un 3D-MGCM de plusieurs centaines de Myr de long avec un comportement semblable à une plaque pour explorer la réponse de la dynamo à un ensemble de distributions et d'amplitudes de flux de chaleur CMB représentatives.
Une version jumelle comprend un matériau chimiquement plus dense à la base du manteau, ce qui représente les grandes provinces à faible vitesse de cisaillement découvertes sismiquement (LLSVP). Ce modèle sera utilisé
pour essayer de reproduire le record de taux d'inversion magnétique des 300 derniers Myr.

4) Les modèles de faible dimension (LDM), contrairement au DNS, n'ont pas besoin d'une grande quantité de ressources informatiques et peuvent être calculés pour les temps géologiques sur des ordinateurs personnels. Plusieurs LDM ont été proposés comme modèles-jouets ou modèles simplifiés d'inversions géomagnétiques. Ici, nous ne considérerons que les modèles stochastiques, où le forçage stochastique rend compte de la « turbulence » dans le noyau.

1) L’implémentation de la méthode d’évènements rares AMS a été faite avec succès et a permis de simuler plusieurs centaines d’évènements rares (inversions de poles magnétique), avec une efficacité accrue d’un facteur 25 environ par rapport à une simulation classique.
Le portage du code pour l'utilisation des GPUs (qui équipent dorénavant la majorité des machines de calcul récentes) est en cours, avec un premier prototype de code GPU prometteur, et une communication à la conférence EGU.

2) Grâce à la méthode AMS, nous avons pu obtenir plusieurs centaines d’inversions dans un régime de paramètre qui commence à être réaliste sur plusieurs indicateurs, tant physiques que paléomagnétiques.
L’analyse complète des séquences d’inversions est en cours.

3) Nous avons commencé par l’analyse des données issues de simulations de la dynamique du manteau sur plus d’un milliard d’année. Des cartes de flux de chaleur à l’interface noyau-manteau ont été extraites, en tenant compte du déplacement de l’axe de rotation. Une analyse en composantes principales a permis de dégager les motifs dominants du flux thermique imposé à la surface du noyau par le manteau. L’influence d’un flux de chaleur hétérogène sur les inversions a démarré avec le code de simulation de geodynamo XSHELLS ayant été adapté en conséquence et validé au cours de l’année 2021.

4) Un travail théorique sur la nature des modes de champ magnétique possiblement impliqués dans les dynamos.
Les conditions aux limites et les variations spatiales des propriétés physiques des fluides sont importants. Nous avons obtenu un résultat théorique montrant que différents problèmes sont des problèmes adjoints et ont donc les mêmes seuils de dynamo.

Il est encore trop tôt pour parler de perspectives. La suite du projet s'annonce bien, avec nous l'espérons de belles découvertes sur les inversions du champ magnétique terrestre et ses mécanismes fondamentaux.

K Gwirtz, M Morzfeld, A Fournier, G Hulot, Can one use Earth’s magnetic axial dipole field intensity to predict reversals?, Geophysical Journal International,(2021),  https://doi.org/10.1093/gji/ggaa542

Efficient spherical harmonic transforms on GPU and its use in planetary core dynamics simulations, N. Schaeffer (EGU 2021)
ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021EGUGA..2313680S/abstract

Enhanced dynamo growth in nonhomogeneous conducting fluids F. Marcotte, B. Gallet, F. Pétrélis, and C. Gissinger (2021)
doi.org/10.1103/PhysRevE.104.015110

Améliorations du logiciel de simulation XSHELLS:
gricad-gitlab.univ-grenoble-alpes.fr/schaeffn/xshells

Améliorations de la bibliothèque SHTNS:
gricad-gitlab.univ-grenoble-alpes.fr/schaeffn/shtns

Le champ magnétique de la Terre (le champ géomagnétique) forme une enveloppe protectrice contre le vent solaire, qui pourrait sinon éroder l'atmosphère, comme ce fut le cas sur Mars. En tant que tels, de forts champs magnétiques planétaires sont sans doute nécessaires à la vie.
L'enregistrement géologique montre que le champ géomagnétique a inversé sa polarité des centaines de fois dans le passé, à un taux très variable. Dans l’histoire géologique récente (25 millions d’années), des renversements ont eu lieu environ 4 à 5 fois par million d’années. Plus loin dans le passé, il existe des périodes de polarité stable (appelées chrons) qui ont duré plusieurs dizaines de millions d'années. Les données paléomagnétiques indiquent en outre que les inversions sont des événements très courts; même si la question reste à trancher, elles ne durent pas plus de quelques milliers d'années, ce qui les rend quasi instantanées à l'échelle des temps géologiques. Cela complique encore la description détaillée des propriétés du champ géomagnétique lors d’une inversion (le champ transitoire).
En raison de la rareté des données associées, les inversions restent largement inexpliquées et leurs conséquences incertaines. Les simulations numériques apparaissent comme un outil bienvenu pour compléter cette compréhension partielle.
Le champ magnétique de notre planète est généré et entretenu par la circulation du métal liquide au plus profond de son noyau. Les simulations réalistes de ce processus (appelé géodynamo) sont actuellement limitées à des intervalles d'intégration courts par rapport à la durée typique d'une chronologie dans les récents enregistrements géologiques (quelques millénaires par opposition à des centaines de millénaires, par exemple). En améliorant un code de simulation haute performance existant, associé à un algorithme d'événements rares, nous parviendrons pour la première fois à simuler des inversions magnétiques à des régimes géophysiquement pertinents, et ce sur un intervalle d'intégration suffisamment long.
Nous prévoyons de construire une base de données en accès libre d'au moins 1000 inversions et excursions (inversions ratées), pour une analyse plus approfondie dans le cadre de ce projet et au-delà. À l'aide de nos simulations produisant un champ magnétique fort et à faible viscosité, nous étudierons l'effet de plusieurs facteurs clés de l'évolution de la Terre sur le taux d'inversion et les propriétés du champ de transition. Une attention particulière sera accordée à la présence et à la taille de la graine, ainsi qu'aux hétérogénéités du flux de chaleur extrait du noyau par le manteau de silicate environnant. Même si ces questions ont déjà été abordées dans des études précédentes avec une viscosité élevée, le nouveau régime dans lequel nos simulations d'inversion géomagnétiques opèrent est actuellement inconnu du point de vue des propriétés des renversements magnétiques.
À l’issue d’une étude paramétrique, nous produirons une simulation du champ magnétique couvrant 300 millions d’années, soumise à un flux de chaleur réaliste extrait par le manteau (hétérogène et dépendant du temps), en utilisant le résultat d’un modèle haute fidélité de convection du manteau.
De plus, nous allons combiner les observations et les simulations via l'assimilation de données pour évaluer et calibrer une série de modèles réduits à basse dimension, pertinents pour les inversions et les excursions géomagnétiques.
Nous utiliserons ces simulations pour dévoiler les processus physiques conduisant à un renversement, pour rechercher des précurseurs robustes aux renversements, pour caractériser la forme et l'intensité du champ magnétique lors d'un renversement et pour estimer les conséquences d'un renversement pour la société.