Elliptical instability in planetary and stellar fluid interiors

L'instabilité elliptique dans les enveloppes fluides des planètes et des étoiles

David Cébron (1)

1 IRPHE - Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre

The elliptical instability takes place in any rotating fluid with elliptical streamlines. Its existence in geo- or astrophysical flows raises many issues. This is the starting point of this theoretical, numerical and experimental work. After introducing basics of the rotating flows, chapter 1 presents the three considered planetary mechanical forcings: tides, precession and libration. Chapter 2 presents first numerical simulations of the elliptical instability in an ellipsoidal geometry. These simulations allow to derive the scaling laws needed to bridge the gap between numerics and planetary applications. Section 2.4 shows that the simultaneous presence of tides and libration can excite an elliptical instability inside synchronized celestial bodies. In section 2.5, a theoretical analysis of the interaction between tides and precession is developed and validated. Finally, in section 2.6, we prove that the elliptical instability can still develop over convective flows. Chapter 3 focuses on the magnetohydrodynamics of the elliptical instability. New results on the magnetic induction by the elliptical instability are obtained and validated numerically. An experimental work, based on a MHD setup, is then described. Our measurements allow to study the dynamics of the instability under an external imposed magnetic field. The experimental setup is then modified to set up a synthetic dynamo. Chapter 4 study the presence of the elliptical instability in known planets, moons, and stars. The particular case of the Moon is first considered and a scenario, based on the elliptical instability, is proposed and evaluated to explain the early lunar dynamo. Telluric bodies are then considered, and an adapted stability analysis shows that the instability can be expected in the Early Earth, Europa and three exoplanets (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Finally, the possible development of the instability in extra-solar Hot-Jupiters systems is considered, showing its relevance for some of them, such as the system of Tau-boo.

L'instabilité elliptique peut apparaître dès qu'un écoulement présente des lignes de courant elliptiques. Sa prise en compte en géo- et astrophysique pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques qui seront considérés dans ce travail: les marées, la précession et la libration. Le chapitre 2 présente les premières simulations de l'instabilité en géométrie ellipsoïdale, qui nous permettent d'obtenir des lois d'échelles la caractérisant. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d'exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l'interaction des marées et de la précession. La section 2.6 démontre que l'instabilité elliptique peut se développer à partir d'écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s'intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l'instabilité. De nouveaux résultats sur l'aspect inductif de l'instabilité sont obtenus et validés numériquement. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de l'instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. Le chapitre 4 étudie la présence de l'instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d'abord considéré et un scénario, basé sur l'instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée montre que l'instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l'instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires est considérée.

Mots clés: elliptical instability; tides; magnetic field; Moon; exoplanets

Mots clés: instabilité elliptique; rotation; marées; précession; libration; convection; champ magnétique; dynamo; Lune; exoplanètes

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Géophysique [physics.geo-ph]; Géophysique [physics.geo-ph]; Milieux et Changements globaux

David Cébron. L'instabilité elliptique dans les enveloppes fluides des planètes et des étoiles. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Provence - Aix-Marseille I, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00660764⟩