Cristallisation et convection sous hyper-gravité

Crystallization and convection under hyper-gravity

• Auteur / Autrice : Ludovic Huguet
• Direction : Thierry Alboussière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 15/10/2014
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Alboussière, Isabelle Daniel, Claude Jaupart, M. G. Worster, Henri-Claude Nataf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Jaupart, M. G. Worster

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences -- Expériences

Dissipation d'énergie

Compressibilité

Convection (astrophysique)

Ondes -- Diffraction

Cristallisation

Mots clés libres

Graine

Cristallisation

Zone dendritique

Atténuation

Diffraction

Convection

Compressibilité

Dissipation

Expérience

Hyper-gravité

Inner core

Solidification

Mushy layer

Attenuation

Scattering

Convection

Compressibility

Dissipation

Experiment

Hyper-gravity

Résumé

L’interface noyau-graine (ICB) est instable et une zone dendritique se forme sous des conditions très particulières, c’est à dire que la cristallisation est très lente par rapport à la convection très vigoureuse du noyau liquide. Afin de reproduire expérimentalement des conditions semblables, nous avons étudié une zone dendritique sous hyper gravite, dans une centrifugeuse. La hauteur de cette zone diminue quand la gravite augmente alors que la fraction solide augmente fortement : similairement, les études sismologiques suggèrent que la fraction solide dans la graine est proche de l’unité a l’ICB. De plus, la sismologie montre une graine très hétérogène en termes d’anisotropie élastique, d’atténuation ou de vitesse des ondes et met en lumière une forte dichotomie Est-Ouest. Celle-ci pourrait être engendrée par une translation de la graine qui provoquerait de la cristallisation sur une face et de la fusion sur l’autre. Cette hypothèse est testée en conduisant des expériences de cristallisation et de fusion d’une zone dendritique. Nous avons utilisé des ultrasons comme analogues aux ondes sismiques pour quantifier les changements de structure dans la zone dendritique à partir des mesures de l’atténuation et la diffraction. Extrapoles a la graine, nos résultats montrent que l’ICB pourrait fondre sur l’hémisphère Ouest et cristalliser sur l’hémisphère Est. D’autre part, avec du gaz xénon en hyper-gravite, nous avons observé un gradient adiabatique, pour la première fois dans un dispositif expérimental. Cette thèse montre la faisabilité de ces expériences et la possibilité de vérifier expérimentalement les approximations utilisées pour la convection compressible.

The inner core boundary (ICB) is unstable, and a mushy layer forms under very particular conditions in which the crystallization is very slow compared to the very vigorous convection of the liquid core. To mimic these conditions, we have investigated a mushy layer under hyper-gravity in a centrifuge. The thickness of a mushy layer decreases with gravity and the solid fraction increases. This is coherent with seismological studies suggesting that the solid fraction at the ICB is close to unity. Moreover, seismology shows that the inner core is very heterogeneous in terms of elastic anisotropy, attenuation or wave velocity and that there exists a strong East-West dichotomy on the ICB. One hypothesis is that the latter is due to a translation of the inner core that would cause crystallization on one hemisphere and melting on the other one. We have tested that hypothesis with experiments of solidification and melting of a mush. We have used ultrasounds as an analogue to the seismic waves to quantify structural changes in the mush from measurements of attenuation and scattering. From our observations, it is plausible that the ICB on the Western hemisphere s melting while it is solidifying on the Eastern hemisphere. In other experiments, using xenon gas under hyper-gravity, we have observed an adiabatic gradient for the first time. This thesis shows the feasibility of these experiments and the possibility to check experimentally the approximations used for compressible convection.