Modèles expérimentaux et numériques de la convection dans le noyau de la Terre.
Résumé
It is believed that thermo-solutal convection in the Earth liquid core is the driving source of the geodynamo, which maintains the magnetic field of the planet. Theoretical constraints imply that flow is probably in a developed turbulent state, highly constrained though by the dominent influence of Coriolis force. Despite remarkable recent advances in numerical and experimental fields, no turbulent convective dynamo model has ever been produced. This work is a first step towards this goal, and aims at modelling the non-magnetic convective flow of a spherical shell of liquid metal (gallium), in the regime of high departures from criticality (heating up to 100 times the critical value), and rapid rotation rates (Ekman number down to 10-7). A systematic and quantitative experimental study has been performed first, using an ultrasonic Doppler velocimetry technique. We have then built a numerical quasigeostrophic model for a better understanding of flow structures. This model has been quantitatively compared with the experiments. This work opens the way to experimental magnetoconvection, as weil' as hybrid numerical dynamo models able to separate scales between a fine scale turbulent velocity field and a magnetic field sustained at large scales.
La convection thermo-compositionnelle dans la partie de fer liquide du noyau de la Terre est la source d'énergie la plus probable de la géodynamo, qui entretient le champ magnétique de la planète. Des contraintes théoriques impliquent que l'écoulement est probablement dans un régime de turbulence développée, contrainte par l'influence prédominante de la force de Coriolis. Malgré de remarquables avancées récentes, tant expérimentales que numériques, aucun modèle de dynamo convective turbulente n'a encore été obtenu. Ce travail présente une première étape vers cet objectif : la modélisation de l'écoulement convectif sans champ d'un métal liquide (le gallium), à grand forçage thermique (jusqu'à 100 fois la valeur critique du chauffage), dans une sphère en rotation rapide (nombre d'Ekman jusqu'à 10-7 ) . Une étude expérimentale systématique et quantitative a d'abord été réalisée, à l'aide d'une technique de vélocimétrie Doppler ultrasonore. Afin de mieux comprendre la structure de l'écoulement, nous avons ensuite implémenté un modèle numérique quasigéostrophique, validé quantitativement par l'expérience. Les perspectives envisagées sont la magnétoconvection expérimentale, ainsi que des modèles numériques hybrides de dynamo réalisant la séparation d 'échelle entre un champ de vitesse turbulent contenant de très petites échelles de vorticité et un champ magnétique entretenu à grande échelle.