Modes magnéto-Coriolis rapides et couples de pression résultant des modes de torsion d'Alfvén dans les noyaux planétaires

Fast Magneto-Coriolis Modes and Pressure Torques arising from Torsional Alfvén Modes in Planetary Cores

• Auteur / Autrice : Felix Gerick
• Direction : Dominique Jault, Jérôme Noir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Staquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Rieutord
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christopher C. Finlay, Yves Rogister

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomagnétisme

Fluides, Dynamique des -- Mesure

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Magnetohydrodynamique

Dynamique des fluides

Geomagnetisme

Core flows

Fluid dynamics

Geomagnetism

Magnetohydrodynamics

Hydromagnetic modes

Résumé

Le champ magnétique terrestre et le taux de rotation de la Terre changent sur des périodes de plusieurs années.Dans cette thèse, on cherche à savoir si et comment de tels changements peuvent être causés par des modes (ondes stationnaires) dans le noyau liquide et conducte.Pour ce faire, un modèle de noyau planétaire en rotation rapide et électriquement conducteur est développé, capable de gérer des champs magnétiques complexes et une frontière non sphérique.Nous exploitons la rotation rapide pour simplifier notre modèle, en utilisant l'hypothèse dite quasi-géostrophique, où les composantes horizontales de la vitesse deviennent invariantes le long de l'axe de rotation.En dérivant un tel modèle dans une géométrie non axisymétrique, nous sommes en mesure d'étudier le couple de pression exercé sur la limite noyau-manteau par des modes, qui sont des solutions linéaires au modèle.Les modes d'Alfvén dits de torsion sont particulièrement intéressants, car ils consistent en des cylindres géostrophiques en rotation différentielle les uns par rapport aux autres, potentiellement porteurs d'un moment angulaire axial.Ces cylindres agissent contre la tension des lignes de champ magnétique radiales cisaillées, ce qui montre leur nature Alfvénique.Dans le noyau terrestre, on suppose qu'ils ont des périodes de quelques années et on les a corrélés aux changements de la longueur du jour.Nos résultats suggèrent que le couple de pression associé à de tels modes de torsion Alfvén est inefficace pour expliquer les changements observés dans la longueur du jour terrestre sur des périodes d'environ 6 ans.Il s'avère que l'amplitude de la pression associée à ces modes devrait être indépendante de la vitesse de rotation, si le volume ne permet pas de prendre en compte les contours géostrophiques non fermés.Il convient d'étudier si le couple de pression peut être augmenté en considérant des géométries plus complexes que l'ellipsoïde, considéré ici.Sinon, les modes de torsion Alfvén dans le noyau doivent être couplés à une couche électriquement conductrice dans le manteau inférieur ou par couplage gravitationnel pour expliquer les changements observés dans la longueur du jour.Dans une deuxième partie, nous avons étudié les modes de Magneto-Coriolis dans un modèle de noyau sphérique et homogène, où nous pouvons exprimer le champ magnétique de manière à pouvoir calculer les changements de champ magnétique à la surface du noyau.Sur Terre, les observations du champ géomagnétique à la surface révèlent des changements du champ magnétique à différentes échelles de temps, allant de plusieurs millions d'années à des changements interannuels.En projetant les observations à travers le manteau, les changements interannuels du champ magnétique à la surface du noyau sont interprétés comme le résultat d’une magnétohydrodynamique simple dans le noyau externe liquide.Dans notre modèle, nous calculons les modes de Magneto-Coriolis de périodes de plusieurs années.Ces modes de Magneto-Coriolis rapides montrent une forte focalisation de leur énergie cinétique et magnétique dans la région équatoriale, tout en maintenant une structure spatiale relativement importante le long de la direction azimutale.Leurs propriétés concordent avec certaines propriétés des observations magnétiques et des mouvements à la surface du noyau récemment proposés.De plus, contrairement à ce qui a été supposé précédemment, nous constatons que ces modes ne sont pas affectés de manière significative par la diffusion magnétique.Le nouveau modèle ouvre une nouvelle façon d'inverser les observations géomagnétiques pour en déduire les mouvements et le champ magnétique dans les profondeurs du noyau externe de la Terre.

Earth's magnetic field and rotation rate change on periods of several years.In this thesis it is investigated if and how such changes can be caused by modes (standing waves) in the liquid and conducting core.To do so, a model for a rapidly rotating and electrically conducting planetary core is developed that is able to handle non-idealized magnetic fields and a non-spherical boundary.We exploit the rapid rotation of the fluid to simplify our model, using the so-called quasi-geostrophic assumption, where the horizontal components of the velocity become invariant along the axis of rotation.By deriving such a model in a non-axisymmetric geometry, we are able to investigate the pressure torque exerted onto the core-mantle boundary by modes, which are linear solutions to the model.So-called torsional Alfvén modes are of particular interest, as they consist of differentially rotating geostrophic cylinders, potentially carrying axial angular momentum.These cylinders act against the tension of sheared radial magnetic field lines, showing their Alfvénic nature.In Earth's core they are assumed to have periods of a few years and they have been correlated to changes in the length of day on periods of about 6 yr.Our results suggest that the pressure torque associated to such torsional Alfvén modes is inefficient to explain the observed changes in Earth's length of day.