Contributions des fluctuations turbulentes au champ magnétique induit dans une expérience en sodium liquide

Turbulent contributions to the induced magnetic field in a liquid sodium experiment

• Auteur / Autrice : Simon Cabanes
• Direction : Henri-Claude Nataf, Nathanaël Schaeffer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 13/11/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean Virieux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frank Stefani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Fournier, Nicolas Plihon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Terre -- Rotation

Terre -- Noyau

Géomagnétisme -- Variations séculaires

Mots clés libres

Sodium liquide

Magnéto-Hydrodynamique

Ecoulement Magnéto-strophique

Liquid Sodium

MHD

Magnetostrophic flow

Résumé

La plupart des objets astrophysiques, comme les planètes ou les étoiles, produisent leur proprechamp magnétique à partir d’une forte agitation d’un fluide conducteur d’électricité comme un métalen fusion ou un plasma ionique. Un champ magnétique de grande échelle est alors crée lorsqueles mouvements de ce fluide génèrent des courants induits suffisamment intenses pour compenserla dissipation Ohmique du système. Ceci est vrai pour des dynamiques à haut nombre de Reynoldsmagnétique Rm = UL/h (U et L sont la vitesse et la longueur caractéristique du système et h la diffusivitémagnétique). Il est connu, que l’écoulement moyen d’un fluide en rotation peut produire unchamp magnétique de grande échelle en cisaillant les lignes d’un champ magnétique déjà présentdans le système. Il s’agit de l’effet Omega. Cependant, un tel processus d’induction ne permet pasd’obtenir une dynamo qui s’auto-entretienne, celle-ci a donc besoin d’un mécanisme d’inductionsupplémentaire pour exister. Ainsi, on fait souvent appelle aux mouvements turbulents de petiteséchelles pour fournir l’ingrédient manquant à l’effet dynamo.Les contributions des fluctuations turbulentes au champ magnétique moyen font l’objet d’une étudeapprofondie dans notre expérience de Couette sphérique soumise à un fort champ magnétique.Notre dispositif expérimental, appelé Derviche Tourneur Sodium (DTS), est une expérience en sodiumliquide conçue pour explorer le régime magnétostrophique du noyau terrestre où les forcesde Coriolis et de Lorentz sont à l’équilibre.De nombreuses mesures sont réalisées au sein de notre expérience et nous obtenons par méthodeinverse des profils radiaux de la force électromotrice moyenne, exprimée en terme d’effets alpha etbeta, et des cartes de l’écoulement moyen pour des Reynolds magnétique allant Rm = 30 à 100. Il résultede ces inversions que les fluctuations turbulentes de l’écoulement peuvent être modélisées parune forte contribution à la diffusivité magnétique, négative dans la région interne et positive prés dela sphère externe. Une simulation numérique directe de l’expérience appuie également ce résultat.La réduction de la diffusivité magnétique effective par les mouvements de petites échelles impliqueque la turbulence peut aider à l’auto-génération d’un champ magnétique de grande échelle. De cepoint de vue la turbulence est un ingrédient favorisant l’effet dynamo.

Earth, Sun and many other astrophysical bodies produce their own magnetic field by dynamoaction, where induction of magnetic field by fluid motion overcomes the Joule dissipation when themagnetic Reynolds number Rm = UL/h is large enough (U and L are characteristic velocity andlength-scale and h the magnetic diffusivity). Large scale motion of a conducting medium shearingpre-existing magnetic field lines is a well known process to produce large scale magnetic field by omega-effect. However, such a process cannot sustain a self-excited dynamo and small-scaleturbulent motions are usually invoked as the appropriate mechanism to dynamo action.The contribution of turbulent fluctuations to the induction of mean magnetic field is investigated inour liquid sodium spherical Couette experiment, with an imposed magnetic field. Our experimentaldevice, named Derviche Tourneur Sodium (DTS), has been designed to explore the magnetostrophicregime of the Earth outer core where Coriolis and Lorentz forces are in balance.Many measurements are used through an inversion technique to obtain radial profiles of the meanelectromotrice force, expended interns of alpha and beta effects, together with the mean flow atmagnetic Reynolds number Rm = 30 up to 100. It appears that the small scale turbulent fluctuationscan be modeled as a strong contribution to the magnetic diffusivity which is negative in the interiorregion and positive close to the outer shell. Direct numerical simulations of our experiment supportthese results. The lowering of the effective magnetic diffusivity by small scale fluctuations impliesthat turbulence can actually help to achieve self-generation of large scale magnetic fields.