Simulations de la géodynamo dans le régime dynamique du noyau de la Terre : une étude systématique

Geodynamo simulations in the Earth's core dynamical regime : a systematic study

• Auteur / Autrice : Tobias Schwaiger
• Direction : Julien Aubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Fournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Guervilly, Krista Marie Soderlund, Thomas Gastine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri-Claude Nataf, Johannes Wicht

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Simulation par ordinateur

Géomagnétisme

Noyau terrestre

Mots clés libres

Géodynamo

Modélisation numérique

Geodynamo

Numerical modelling

Résumé

Le champ géomagnétique est généré par l'action de la dynamo dans le noyau externe liquide de la Terre. Dans cette thèse, l'équilibre des forces qui contrôle la dynamique de l'écoulement convectif à l'origine de ce mécanisme de dynamo est étudié à l'aide de simulations numériques. À cette fin, nous calculons et analysons une grande série de modèles. Nous constatons que la plupart des dynamos numériques sont régies par une balance dite quasi-géostrophique Magnéto-Archimédienne-Coriolis (QG-MAC). Ce type d'équilibre des forces fait référence aux cas dans lesquels l'équilibre des forces dominantes est celui entre les forces de Coriolis et les forces de pression (équilibre géostrophique), tandis que les forces de Lorentz, de flottabilité et de Coriolis agéostrophique, c'est-à-dire la partie de la force de Coriolis non compensée par la pression, s'équilibrent à l'ordre suivant. L'inertie et les forces visqueuses représentent des contributions secondaires. Dans les dynamos QG-MAC à fort champ magnétique, la force de Lorentz devient dominante vers les plus petites échelles de longueur d'écoulement, de sorte que celles-ci sont en équilibre magnétostrophique (Coriolis-Pressure-Lorentz). L'analyse spectrale de la balance des forces montre que dans les modèles QG-MAC, l'échelle de longueur à laquelle la flottabilité et les forces de Lorentz sont en équilibre contrôle l'échelle dominante de convection. De plus, nous montrons que l'échelle à laquelle la balance des forces dominante passe de la géostrophie à grande échelle à la magnétostrophie à petite échelle, peut être liée à la perte de l'invariance axiale de l'écoulement. Nos résultats suggèrent que le noyau de la Terre est probablement contrôlé par une balance QG-MAC, dans laquelle l'équilibre de force dominant passe d'une balance géostrophique à une balance magnétostrophique à petite échelle. L'extrapolation des échelles théoriques qui supposent ce type d'équilibre des forces aux conditions du noyau terrestre suggère que l'échelle dominante de longueur de flux de la géodynamo est d'environ 200 km, tandis que les effets magnétostrophiques sont décalés vers des échelles inférieures à 50 km.

The geomagnetic field is generated by dynamo action in the Earth's liquid outer core. In this thesis, the force balance controlling the convective flow dynamics which drive this dynamo mechanism is studied using numerical simulations. To this end, we compute and analyse a large series of models. We find that most numerical dynamos are governed by a so-called quasi-geostrophic Magneto-Archimedean-Coriolis (QG-MAC) balance. This type of force equilibrium refers to a physical setup in which the dominant force balance is between Coriolis and pressure forces (geostrophic balance), while Lorentz, buoyancy and ageostrophic Coriolis forces, i.e. the part of the Coriolis force not compensated by pressure, equilibrate at the next order. Inertia and viscous forces represent secondary contributions. In QG-MAC dynamos with a strong magnetic field, the Lorentz force becomes dominant towards the smallest flow length scales such that these are in a magnetostrophic (Coriolis-Pressure-Lorentz) balance. Spectral analysis of the force balance shows that in QG-MAC models, the length scale at which buoyancy and Lorentz forces are of equal magnitude controls the dominant scale of convection. In addition, we show that the scale at which the prevailing force balance changes from large-scale geostrophy to small-scale magnetostrophy, can be related to the loss of the axial invariance of the flow. Our results suggest that the Earth’s core is most likely controlled by a QG-MAC balance, in which the dominant force equilibrium transitions into a magnetostrophic balance towards small scales. Extrapolation of theoretical scalings which assume this type of force balance to the conditions of the Earth’s core suggests that the dominant flow length scale of the geodynamo is about 200 km, while magnetostrophic effects are deferred to scales below 50 km.