Approches experimentales et theoriques de la dynamique du noyau terrestre : tourbillon geostrophique de gallium liquide dans un champ magnetique, anisotropie et rotation de la graine, chemins d'inversion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1998

Approches experimentales et theoriques de la dynamique du noyau terrestre : tourbillon geostrophique de gallium liquide dans un champ magnetique, anisotropie et rotation de la graine, chemins d'inversion

Résumé

During my thesis I concentrated on four different aspects of physics and magnetohydrodynamics taking place in the Earth's core. Each study is presented independently in my dissertation. The first two parts are experimental studies and the two last parts theoretical and numerical calculations. ln the first part, we study experimentally a vertical vortex of liquid metal (gallium) subject to a transverse magnetic field. We investigate the simultaneous effect of Coriolis forces (due to rotation) and Lorentz forces (due to magnetic field ) on a dynamical structure similar to those possibly present in the liquid outer core (convective geostrophic columns). Experimental measurements (fluid velocity, induced magnetic field , differences in electrical potential, temperature) are interpreted with a model providing a clear picture of t he dynamics of the vortex, as weil as a description of the electrical currents generated in the vortex. Coriolis forces tends to rigidify the fluid flow along the rotation axis whereas the main effect of the magnetic field is firstly, to severely slow down the fluid and , secondly, to increase the central part of the vortex. This increase supports the presence of large diameter convective columns in the liquid core. Experimental measurements of ohmic dissipation (Joule heating) demonstrated that large scale toroidal magnetic field in the Earth's core can not exceed 25 mT if the convective flow takes place under geostrophic columns. In the second part, we present an experiment where liquid gallium is crystallized. The goal is to understand the origin of the inner core elastic anisotropy. Experimentally, we observed the crystallization velocities and analyzed the gallium crystal texture. Elastic anisotropy measured within gallium polycrystals (ultrasonic method) showed that crystals axis orientations are not determined by heat flux direction but seemingly by initial germs orientation . Moreover, we showed that gallium texture is independent of solidification conditions such as the vigor of the fluid flow or the imposed magnetic field . We concluded that the inner core anisotropy may be due to a preferred lattice orientation, the orientation being determined by initial germs present in the center of the core. In the third part, we investigate electromagnetic coupling between the liquid outer core and the solid inner core; this study is motivated by recent seismological studies which have endeavoured to observe a differential rotation between the inner core and the mantle. Our numerical simulations show that electromagnetic coupling is extremely efficient between the solid and the liquid: the torque tightly couples the inner core rotation to the fluid motion. Under our assumptions, a relation is established between the outer core toroidal magnetic field and the inner core superrotation. This relationship suggests that a precise determination of the inner core differential rotation might provide a good way to estimate the Earth 's core toroidal magnetic field intensity. In the fourth part we investigate electromagnetic coupling between the liquid core and the solid mantle; we study the influence of an heterogeneous D"-layer (in electrical conductivity) at the base of the mantle on dipole magnetic field pole paths during reversaIs. Heterogeneous electromagnetic coupling results in a differential rotation between the core and the mantle; the rotation is nevertheless very slow (at the time scale of reversais) and can not explain longitudinal confinements of Virtual Geomagnetic Poles (VGP) during reversaIs of the Earth's magnetic field .
J'ai étudié durant ma thèse quatre problèmes physiques et magnétohydrodynamiques intervenant dans le noyau terrestre. Chaque étude fait l'objet d'une partie indépendante de ce mémoire. Les deux premières parties s'appuient sur des expériences en laboratoire et les deux dernières reposent sur des calculs théoriques et numériques. La première partie traite de l'étude expérimentale d'un tourbillon vertical de métal liquide (gallium) soumis à un champ magnétique transverse. Nous avons étudié l'effet simultané des forces de Coriolis (dues à la rotation) et des forces de Lorentz (dues au champ magnétique) sur une structure dynamique analogue à celles qui pourraient* être présentes dans le noyau liquide (colonnes convectives geostrophiques). Les mesures expérimentales (vitesse du fluide, champ magnétique induit, différences de potentiels électriques, température) sont interprétées à l'aide d'un modèle rendant compte de la dynamique du tourbillon et de la distribution des courants électriques en son sein . Les forces de Coriolis rigidifient l'écoulement selon l'axe de rotation alors que l'effet principal du champ magnétique est d'une part, de freiner le fluide, et d'autre part, d'agrandir la partie centrale du tourbillon; cet élargissement concorde avec la présence de colonnes géostrophiques de grand diamètre dans le noyau liquide. Les mesures expérimentales de dissipation ohmique (effet Joule) ont permis de montrer quant à elles que le champ magnétique toroïdal de grande échelle dans le noyau liquide ne peut excéder 25 mT si la convection s'y déroule sous la forme de colonnes géostrophiques. La deuxième partie traite de cristallisation expérimentale de gallium . L'objectif est cette fois de comprendre l'origine de l'anisotropie élastique de la graine terrestre. Nous avons suivi expérimentalement les vitesses de cristallisation et analysé la texture des cristaux de gallium. L'anisotropie élastique mesurée au sein des polycristaux de gallium (méthode ultrasonore) montre que l'orientation des axes cristallins n'est pas déterminée par la direction du flux de chaleur, mais plutôt guidée par l'orientation de germes initiaux. Nous avons de plus montré que la texture des cristaux de gallium est indépendante des conditions de solidification tels la vigueur de l'écoulement ou le champ magnétique imposé. Il est conclu que l'anisotropie de la graine pourrait être causée par une orientation préférentielle du réseau cristallin de fer, cette orientation étant déterminée par les germes initiaux présents au centre de la graine. La troisième partie traite d'un problème de couplage électromagnétique entre le noyau liquide et la graine solide; ce travail est motivé par de récentes études sismologiques s'attachant à mesurer une rotation différentielle de la graine par rapport au manteau terrestre. Nos simulations numériques montrent que le couplage électromagnétique est extrêmement efficace entre la graine et le noyau: le couple synchronise la vitesse de rotation de la graine solide à la vitesse du fluide avoisinant dans le noyau liquide. Dans le cadre de nos hypothèses, une relation est établie entre le champ magnétique toroïdal présent dans le noyau liquide et la superrotation de la graine; cette relation suggère qu 'une détermination précise de la rotation différentielle de la graine pourrait donner accès à l'intensité du champ magnétique toroïdal présent dans les profondeurs du noyau. La quatrième partie traite d'un problème de couplage électromagnétique entre le noyau liquide et le manteau solide; nous avons étudié l'influence d'une couche D" hétérogène (en conductivité électrique) présente à la base du manteau sur les chemins d'inversion d'un dipôle magnétique. Le couplage électromagnétique hétérogène résulte en une rotation différentielle entre le noyau et le manteau; cette rotat ion est très lente (à l'échelle de temps des inversions) et ne peut expliquer l'existence éventuelle d'un confinement longitudinal des Pôles Géomagnétiques Virtuels (PGV) pendant les inversions du champ magnétique.
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Dates et versions

tel-00683525 , version 1 (29-03-2012)

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  • HAL Id : tel-00683525 , version 1

Citer

Daniel Brito. Approches experimentales et theoriques de la dynamique du noyau terrestre : tourbillon geostrophique de gallium liquide dans un champ magnetique, anisotropie et rotation de la graine, chemins d'inversion. Géophysique [physics.geo-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 1998. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00683525⟩
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