Centennial fluctuations of the geomagnetic intensity : from archeomagnetism to core processes - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Centennial fluctuations of the geomagnetic intensity : from archeomagnetism to core processes

Variations centennales de l’intensité du champ magnétique terrestre : de l’archéomagnétisme aux processus du noyau

Marie Troyano

Résumé

Direct measurements of the geomagnetic field being only available over the historical period (from 1590 to today), global reconstructions beyond that time therefore resort to indirect measurements provided by paleo- and archeomagnetism. In this respect, archeomagnetism can provide particularly well dated data. This thesis aims at analyzing the geomagnetic field intensity variations provided by archeomagnetism over multi-decadal to centennial timescales, from two different but complementary aspects. A first study focuses on the acquisition of archeointensity data in central Asia and their consequences on the knowledge of regional and global geomagnetic field variations. In particular, global geomagnetic field models over the historical period based on direct mea-surements solely need additional constraints to overcome the absence of direct intensitymeasurements before ~1840. Two options have been proposed: either to linearly extrapolate backward the behavior of the axial dipole moment observed since 1840, as in the gufm1 model, or to rely on a global archeointensity dataset. In this study, a regional approach is used, based on new archeointensity data obtained from Bukhara for the historical period. This city is of particular interest owing to its outstanding, well-preserved historical center and the archives just as well preserved providing precise dating constraints on the buildings sampled for this study. The baked clay bricks fragments are analysed using the Triaxe experimental protocol. The obtained intensity variations curve shows a rapid decrease from 1600 to ~1750 followed by an increase until the early 19th. This evolution is in good agreement with other Triaxe data acquired in western Europe and western Russia. These three Triaxe datasets are used to recalibrate the axial dipole moment from the gufm1 model. The resulting evolution is non-linear, with a minimum amplitude during the second half of the 18th century. Although the results presented in this study need to be confirmed by further data acquisition worldwide, it nonetheless illustrates that archeointensity data can provide constraints on the geomagnetic intensity evolution over multi-decadal to centennial timescales at both regional and global scales.The second study focuses on intensity variations inferred from archeomagnetic data, from a theoretical standpoint. Recently, extreme archeointensity events lasting only a few decades, termed geomagnetic spikes, have been proposed in the Near-East during the first millennium BC. They are associated with variations rates up to several μT/yr, while today’s maximum is of order ~0.1 μT/yr. Magnetic flux expulsion at the core’s surface has been proposed to explain such extreme events, but this process has not yet been studied in detail. In this study, a 2D kinematic model of magnetic flux expulsion is implemented, controlled by a single parameter: the magnetic Reynolds number Rm, the ratio of magnetic diffusion to advection times. This model allows for the monitoring of initially horizontal magnetic field lines, advected by a fixed flow pattern constituted by two counter-rotating eddies. As the magnetic field lines are distorted and folded by the flow, the magnetic flux is progressively expelled towards the domain’s boundaries. If the boundary separates the conducting fluid from an insulating medium, the magnetic flux can diffuse through it. To follow the flux expulsion through the insulating boundary, the vertical component of the magnetic field is monitored during the system evolution. The characteristic rise time is found to scale as Rm0.15, while the maximum instantaneous variation rate scales as Rm0.45. These scaling laws are then extrapolated at the Earth’s surface. The results show that geomagnetic spikes cannot be generated by flux expulsion. However, other intensity peaks of durations longer than one century and associated with much lower variation rates would be compatible with flux expulsion events.
Les mesures directes du champ géomagnétique ne couvrant que la période historique (1590 à aujourd’hui), la reconstruction de son évolution au-delà de cette période repose sur des données indirectes, fournies par le paléo- et l’archéomagnétisme, ce dernier permettant d’acquérir des données particulièrement bien datées. Cette thèse a pour but d’analyser les variations d’archéointensité du champ sur des échelles multi-décennales à centennales, à travers deux aspects différents mais complémentaires. Une première étude porte sur l’acquisition de données d’archéointensité en Asie centrale et leur interprétation en terme de variations d’intensité à une échelle régionale et globale. L’absence de données directes d’intensité avant ~1840 nécessite une contrainte additionnelle pour construire des modèles globaux du champ magnétique à partir de données directes. Deux options sont proposées, la première extrapolant linéairement dans le passé les variations du dipôle axial observées en 1840, comme pour le modèle gufm1, la seconde s’appuyant sur un jeu global de données d’archéointensité. Dans cette étude, une approche régionale est proposée, basée sur de nouvelles données d’archéointensité obtenues à Boukhara. Cette ville est remarquable par la préservation de son centre historique, dont les bâtiments sont précisément datés par des archives documentaires. Les fragments de briques d’argiles cuites des bâtiments échantillonnés ont été analysés par le protocole expérimental du Triaxe. Les variations d’intensité obtenues montrent une décroissance rapide de 1600 à ~1750 suivie d’une croissance modérée jusqu’au début du 19e siècle. Cette évolution est en accord avec d’autres données Triaxe acquises en Europe de l’Ouest et en Russie du Nord-Ouest. Toutes les données Triaxe sont donc utilisées pour recalibrer l’évolution du dipôle axial du modèle gufm1. La nouvelle évolution montre un minimum d’amplitude durant la seconde moitié du 18e siècle. Si les résultats présentés dans cette étude doivent être confirmés par de nouvelles données d’archéointensité, ils montrent néanmoins que ces dernières permettent de contraindre les variations multi-décennales à centennales du champ géomagnétique, à une échelle régionale et globale. La seconde étude analyse les variations d’intensité archéomagnétique d’un point de vue théorique. Récemment, des pics extrêmes d’archéointensité, nommés spikes géomagnétiques, ont été proposés au Proche-Orient pendant le dernier millénaire av. NE. Ils sont caractérisés par une durée de quelques décennies et des taux de variations de plusieurs μT/an, le maximum actuel étant d’environ 0.1 μT/an. L’expulsion de flux magnétique à la surface du noyau a été proposée comme une origine possible. Cette étude propose l’analyse d’un modèle cinématique 2D d’expulsion de flux, contrôlée par un seul paramètre : le nom-bre de Reynolds magnétique Rm, rapport du temps magnétique de diffusion sur le temps d’advection. Ce modèle permet de suivre l’évolution les lignes de champ magnétique, initialement horizontales, alors qu’elles sont advectées par deux tourbillons de rotations opposées. Lorsque les lignes de champs sont déformées et pliées par l’écoulement, le flux magnétique est expulsé vers les bords du domaine. Si ce bord sépare le fluide d’un milieu isolant, le flux magnétique peut diffuser au travers. Pour étudier l’expulsion de flux au travers du bord isolant, la composante verticale du champ magnétique sur ce bord est suivie pendant l’évolution du système. Son temps caractéristique de croissance évolue comme Rm0.15 et le taux de variation instantanée maximum comme Rm0.45 Ces lois d’échelles sont ensuite extrapolées à la surface de la Terre. Les résultats montrent que l’expulsion de flux ne peut pas générer des événements aussi extrêmes que les spikes. Cependant des événements présentant des durées supérieures au siècle et associés à des taux de variations nettement inférieurs pourraient être compatibles avec le processus d’expulsion de flux.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03414832 , version 1 (04-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03414832 , version 1

Citer

Marie Troyano. Centennial fluctuations of the geomagnetic intensity : from archeomagnetism to core processes. Earth Sciences. Université Paris Cité, 2020. English. ⟨NNT : 2020UNIP7222⟩. ⟨tel-03414832⟩

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