Processus d’échanges entre les couches de glace profondes et les océans liquides dans les corps riches en eau (satellites de glace) : une approche expérimentale par analyse de similitude et modélisation numérique

Exchange processes occurring in the deep icy layers of water-rich bodies (ice satellites) : an experimental approach by similitude analysis and numerical modeling

• Auteur / Autrice : Rawad Himo
• Direction : Cathy Castelain, Teodor Burghelea, Sabrina Carpy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Olivier Grasset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Gobin, Michael Le Bars

Mots clés

Mots clés contrôlés

Clathrates

Titan (satellite de Saturne)

Effets des hautes pressions

Glace

Géodynamique

Mots clés libres

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Résumé

Sur des grandes lunes glacées telles que Titan et Ganymède, des manteaux de glace à haute pression peuvent se former au fond de l’océan. La convection géodynamique dans ces manteaux pourrait transporter diverses molécules vers l’océan au-dessus, améliorant ainsi son habitabilité potentielle. L’objectif de cette thèse est de modéliser de tels processus d’échange en utilisant deux approches principales. Premièrement, au moyen d’expériences par similitude d’échelle et deuxièmement, en utilisant la modélisation numérique. Expérimentalement, la glace à haute pression est remplacée par un autre matériau respectant la similitude d’échelle. Les vitesses de convection sont mesurés avec la PIV et elles sont ensuite extrapolées aux échelles planétaires. Ces résultats sont alors comparés à un modèle numérique sur des manteaux de glace à haute pression. Le modèle numérique est développé dans cette thèse en se basant principalement sur une approche biphasique poreuse. Les résultats montrent une bonne cohérence entre les deux approches. De plus, le transport de molécules complexes est pris en compte dans le cas de la formation d’hydrate de clathrate, qui pourrait plus rapidement transporter des molécules lourdes vers l’océan. Enfin, le modèle intérieur des hydrosphères est affiné. Celui-ci considère les épaisseurs d’équilibre induites par la convection des couches de glace externes en incluant également une fine couche poreuse fragile, comme sur Europe

On large icy moons such as Titan and Ganymede, high pressure ice mantles can form at the bottom of the ocean, isolating it from the rocky mantle beneath. However internal heat sources can generate geodynamic convections that could transport biologically interesting molecules to the ocean above, improving its potential habitability. The aim of this thesis is to model such exchange processes using two main approaches. First, by means of properly scaled analogous experiments and second, using numerical modeling. In the former approach the high pressure ice is replaced by another material that corresponds well to the theoretical scaling arguments. Velocity flow fields are measured using the PIV technique which are then extrapolated to the planetary scales using the same scaling arguments. These results are later on compared with an elaborate FEM numerical model on high pressure ice mantles. The numerical model is developed in this thesis and it is based mainly on a twophase porous approach, which includes tidal and viscous heating, phase change (solidsolid and solid-liquid), with percolating pores. The experimental and the numerical models are in good agreement. Furthermore, the transport of complex molecules is also considered in the case of clathrate hydrate formation, which could transport heavy molecules to the ocean, at a fast rate. Finally the interior models of some hydrospheres are refined by considering the convection-driven equilibrium thicknesses of outer ice shells with a thin brittle porous layer, such as on Europa