Redistributions de masse à l’interface noyau-manteau à partir de la gravité du satellite

La dynamique terrestre s’inscrit sur une large gamme d’échelles temporelles, à mesure que la croûte, le manteau et le noyau évoluent et interagissent à leurs interfaces. Aux échelles de temps longues de la convection du manteau et du mouvement des plaques tectoniques s’ajoutent ainsi des manifestations rapides de cette dynamique globale, qui restent difficiles à prévoir. L’une d’entre elles correspond aux variations soudaines de la dérive séculaire du champ magnétique terrestre, les secousses géomagnétiques. Observés pour la première fois en 1978, ces changements de pente dans la variation séculaire se produisent sur des durées de quelques mois à quelques années et sont attribués à des variations rapides des écoulements conducteurs à la surface du noyau liquide, une source majeure du champ magnétique terrestre. Aujourd’hui, l’origine dynamique de ces changements dans la circulation du noyau reste débattue, de même que les caractéristiques spatio- temporelles de leur signature dans le champ magnétique. Différents mécanismes ont été proposés pour rendre compte de ces évènements, tels que la propagation d’ondes émises en profondeur dans le noyau, ou le couplage d’une portion de noyau fluide avec le manteau.

Mesurées par satellite depuis 2002 (mission GRACE de 2002 à 2017 puis GRACE Follow-On depuis 2018), les variations spatio-temporelles du champ de gravité terrestre peuvent décrire de manière originale les redistributions de masse à l’interface noyau-manteau et offrir une information complémentaire aux observations magnétiques pour caractériser l’origine de ces changements dans les écoulements du noyau. Ainsi, un mode de variabilité cohérent entre le champ de gravité et l’accélération du champ magnétique a été mis en évidence aux échelles pluri-annuelles des secousses géomagnétiques, dans une région autour de l’Afrique. Ce signal a été interprété comme résultant de variations temporelles de topographie de la frontière noyau-manteau (CMB) susceptibles de modifier les écoulements à la surface du noyau.

Dans cette thèse, nous proposons dans un premier temps d’étendre la recherche de signaux issus de la région de la CMB dans les données de champ de gravité des missions GRACE / GRACE Follow- On, par une démarche d’analyse indépendante des données magnétiques. Pour améliorer la détection de signaux profonds de faible amplitude dans le champ de gravité, et mieux les différencier des signaux prédominants provenant du cycle de l’eau dans les enveloppes fluides superficielles, nous appliquerons des méthodes dédiées d’analyse des gradients de gravité (dérivées spatiales secondes du potentiel gravitationnel) reconstruits à différentes échelles spatiales, précédemment développées dans l’équipe Géodésie. Ces analyses permettent de finement caractériser la géométrie des variations du champ de gravité aux différentes échelles spatiales, de distinguer sur cette base les signaux superposés dans le champ total et d’aider à l’identification de leurs sources par reconnaissance de formes. Combinées avec des outils de comparaison objective de formes de signaux entre les champs de gravité observés et prédits par un ensemble de modèles hydrologiques et océaniques, elles nous permettront d’identifier les anomalies de gravité présentant des différences marquées avec les signaux du cycle de l’eau. Ces analyses spatiales seront couplées à une analyse multi-échelle temporelle (type analyse en ondelettes) pour chercher des changements de pente ou des pulses à différentes échelles de temps dans les séries de gradients de gravité aux différentes échelles spatiales, en particulier dans un voisinage des temps d’occurrence des secousses géomagnétiques qui se sont produites pendant la période d’observation de GRACE(FO) : en 2007, 2011, 2014. Les outils d’analyse sont déjà disponibles et prêts à être utilisés. Ce travail pourra aussi mettre plus généralement en lumière la structure temporelle globale des signaux de gradients de gravité à grande échelle.

Dans un second temps, nous appliquerons une analyse similaire aux modèles de champ magnétique basés sur les observations satellitaires (mission CHAMP entre 2000 et 2010 puis SWARM depuis 2013). L’analyse des gradients du champ magnétique permettra en particulier d’améliorer la description géométrique des signaux et de gagner en résolution spatiale, contribuant ainsi à une meilleure identification des sources des variations corrélées avec le champ de gravité.
→ Si des signaux profonds dans le champ de gravité peuvent être corrélés avec des variations du champ magnétique, nous disposerons d’un ensemble de contraintes observationnelles indépendantes sur les redistributions de masse en profondeur et le signal magnétique en surface. Pour comprendre leur origine, ces observations seront comparées à des modélisations, en considérant en particulier deux types d’interaction noyau-manteau : (1) les déformations visco-élastiques du manteau induites par la pression dynamique exercée à sa base par les courants du noyau, et (2) la pression exercée à la surface du noyau par des variations de topographie de la CMB et la réponse visco-élastique du manteau associée. Les caractéristiques spatiales du signal gravimétrique pourront renseigner sur un rôle éventuel des hétérogénéités mantelliques profondes dans les changements de topographie de la CMB.
→ Si les signaux profonds ne peuvent être isolés dans le champ de gravité, nous pourrons tester si les variations du champ magnétique corrélées avec les signaux de gravité sont compatibles avec une source associée au cycle de l’eau.

Les résultats offriront une caractérisation détaillée des variabilités à grande échelle du champ de gravité et du champ magnétique via leurs gradients, de leurs similitudes et de leur lien possible avec différents types de sources. Une telle étude comparée est en elle-même nouvelle.