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Deux aspects de la dynamique des fluides des noyaux planétaires

30/09/2013

IPGP - Îlot Cuvier

14:30

Soutenances de thèses

Amphithéâtre

Maylis Landeau

Dynamique des fluides géologiques (DFG)

------------------------- Résumé Cette thèse contient deux études portant sur la dynamique des fluides des noyaux planétaires. La première partie est une étude numérique de la convection thermique et de la génération de champ magnétique dans une sphère pleine en rotation; une configuration qui a reçu peu d'attention jusqu'à présent et qui est appropriée pour étudier la dynamique d'un noyau planétaire sans graine. Quand la vigueur de la convection est suffisamment élevée, nous obtenons des écoulements fortement asymétriques par rapport à l'équateur, contrastant avec les écoulements essentiellement symétriques obtenus en présence d’une graine dans les études précédentes. Nous montrons que l'émergence spontanée de cet écoulement fortement asymétrique induit un champ magnétique localisé dans un hémisphère. Ces résultats suggèrent un scénario parcimonieux pour expliquer l’asymétrie du champ magnétique crustal de Mars. Dans la seconde partie, nous présentons des expériences sur la déstabilisation et la fragmentation d'un volume de fluide dense dans un autre liquide non miscible. De tels processus ont eu lieu à grande échelle lors des impacts qui ont formé la Terre et son noyau: le métal liquide de l'impactant était alors relâché dans un océan de magma moins dense. Pour des nombres de Weber suffisamment élevés (le régime pertinent pour la formation du noyau), l'écoulement grande échelle se comporte comme un thermique turbulent: il forme une structure cohérente et autosimilaire qui croit par entrainement de fluide ambiant. Un modèle basé sur l'hypothèse d'entrainement turbulent est en accord avec nos résultats expérimentaux, ce qui démontre que le concept d'entrainement turbulent peut être appliqué à une interface séparant des fluides non miscibles. Ces résultats fournissent le cadre général nécessaire à l’insertion de contraintes physiques dans les modèles chimiques de formation du noyau. ------------------------- Abstract This thesis contains two studies on the fluid dynamics of planetary cores. The first part is a numerical study of thermal convection and magnetic field generation driven by internal heating in rotating spheres; a configuration appropriate for planetary cores prior to inner-core nucleation, and which has received little attention until now. We find that the flow becomes strongly asymmetric with respect to the equator for sufficiently vigorous convection. This result contrasts with previously published studies of convection in spherical shells (i.e. with an inner core) where the flow is essentially symmetric. We show that this spontaneous emergence of antisymmetric flow components induces localized magnetic fields with up to 90% of the total magnetic energy contained in a single hemisphere. Our results suggest a parcimonious scenario to explain the hemispherical crustal magnetic field of Mars. In the second part, we present experiments on the instability and fragmentation of blobs of a heavy liquid released into a lighter immiscible liquid. These processes likely occurred on a massive scale during the formation of the Earth and its core, when dense liquid metal blobs were released within deep molten silicate magma oceans after an impact. At sufficiently high Weber numbers (the relevant parameter regime for core formation), the large-scale flow behaves as a turbulent thermal: it forms a coherent structure with self-similar shape during the fall and grows by turbulent entrainment of ambient fluid. A model based on the entrainment assumption is consistent with our experimental data, indicating that the concept of turbulent entrainment is valid for non-dispersed immiscible fluids. Such results provide the relevant framework for the development of geochemical core formation models that incorporate fluid dynamic constraints.