Transitions entre dynamos de type terrestre et de type solaire : une approche numérique

Vendredi 19 juin à 14 heures

Jussieu, Tour 14-24 (entrée par le 14 RDC), 2e étage, salle bleue de l'IPGP, devant le jury composé de :

Daniel Brito (examinateur, Université de Pau),
Philippe Cardin (rapporteur, Université J. Fourier, observatoire de Grenoble),
Emmanuel Dormy (directeur, IPGP, ENS),
Alexandre Fournier (examinateur, IPGP),
Pascale Garaud (rapporteur, Université de Californie, Santa Cruz, USA) et
Michel Perault (examinateur, Observatoire de Paris).

Résumé :

Le champ magnétique du Soleil présente des inversions régulières de ses composantes magnétiques, aux petites échelles comme à l'échelle du dipôle.
Le champ magnétique de la Terre, quant à lui, est essentiellement dipolaire et s'inverse de façon irrégulière. Ces différences nous ont amenés à nous interroger sur les particularités des dynamos solaire et terrestre.

Pour répondre à ce problème, nous utilisons un code tridimensionel qui modélise la zone dynamo par une coquille située entre deux sphères concentriques. Le rapport du rayon de ces sphères est appelé rapport de formes. Pour la dynamo terrestre, située dans le noyau externe, il est d'environ 0,35; pour la zone convective, siège de la dynamo solaire, il est d'environ 0,7. Durant les travaux de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'influence du rapport de formes sur le comportement des dynamos.

Une autre différence peut jouer un rôle important dans le comportement magnétique de la Terre et du Soleil : les conditions aux limites. Les enveloppes avoisinant le noyau externe (la graine et le manteau) sont solides, par rapport à l'échelle temporelle de déplacement du fer liquide. Des conditions limites rigides peuvent donc correctement modéliser les bords de la géodynamo (ces dynamos sont appelées dynamos No-Slip No-Slip). La dynamo du Soleil quant à elle est entourée de fluides. Toutefois, à sa base, elle présente un cisaillement important. Pour ces raisons nous avons modélisé des conditions rigides à la base de la dynamo, et des conditions à déplacement libre au sommet de celle-ci (de telles dynamos sont appelées dynamos No-Slip Stress-Free). Lors de cette thèse, nous avons ainsi testé l'influence de ces différentes conditions aux bords sur le comportement de la dynamo. Enfin, la sphère interne limitant la base de la zone dynamo est conductrice et peut tourner sous l'effet des couples magnétiques et visqueux (c'est par exemple le cas pour la graine). L'influence de cette condition limite a également été étudiée.

Lorsque le rapport de formes augmente, nous avons observé, dans le cas des dynamos No-Slip Stress-Free (avec et sans graine conductrice) et des dynamos No-Slip No-Slip, avec une graine conductrice, une transition d'un mode dynamo « dipolaire et statique » vers un mode dynamo « multipolaire et ondulatoire ». Nous avons montré que les dynamos ondulatoires présentent des ondes dynamos et des ondes hydrodynamiques.

Dans le cas des dynamos No-Slip Stress-Free, une transition entre deux solutions du mode « dynamo multipolaire et ondulatoire » a été trouvée : en augmentant le rapport de formes, les ondes cessent de dériver longitudinalement et oscillent autour d'une position fixe. Seules des ondes dérivant longitudinalement ont été trouvées au sein des dynamos No-Slip Stress-Free dont la graine est conductrice (mais ne tourne pas). Augmenter le nombre de Rayleigh, ou abaisser le nombre de Prandtl magnétique favorise la solution ondulatoire. En outre, lorsque le rapport de formes croît, nous avons trouvé, dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip, une transition entre un mode ondulatoire et un mode dynamo dont le champ magnétique, dipolaire, s'inverse de façon irrégulière. Aucune transition n'a été trouvée dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip présentant une graine isolante.

Dans le cas des dynamos No-Slip Stress-Free, une transition entre deux solutions du mode « dynamo multipolaire et ondulatoire » a été trouvée : en augmentant le rapport de formes, les ondes cessent de dériver longitudinalement et oscillent autour d'une position fixe. Seules des ondes dérivant longitudinalement ont été trouvées au sein des dynamos No-Slip Stress-Free dont la graine est conductrice (mais ne tourne pas). Augmenter le nombre de Rayleigh, ou abaisser le nombre de Prandtl magnétique favorise la solution ondulatoire. En outre, lorsque le rapport de formes croît, nous avons trouvé, dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip, une transition entre un mode ondulatoire et un mode dynamo dont le champ magnétique, dipolaire, s'inverse de façon irrégulière. Aucune transition n'a été trouvée dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip présentant une graine isolante.

Ces résultats montrent que les dynamos à inversions obtenues sont générées par un cisaillement important des lignes de champ magnétique; ce cisaillement peut être causé par les différentes échelles du fluide, ou par une graine conductrice. Nous proposons également des explications quant aux mécanismes générant les ondes dynamos et les transitions entre modes dynamos observés.