Travail de thèse

1994-1995 : Recherche menée au laboratoire de Géologie de l’École Normale Supérieure de Paris,

sous les co-directions de P. Cardin et H.-C. Nataf.

1996-1997 : Recherche menée au « Department of Earth and Planetary Sciences », Johns Hopkins

University, Baltimore, États-Unis, sous la direction de Peter L. Olson.

Thèse de l’Université de Paris VII, soutenue à l’École Normale Supérieure, le 8 Janvier 1998.

Titre

Approches expérimentales et théoriques de la dynamique du noyau terrestre : tourbillon

géostro-phique de gallium liquide dans un champ magnétique, anisotropie et rotation de la graine, chemins

d’inversion.

Résumé (adapté de Brito (1998))

J’ai étudié durant ma thèse quatre problèmes physiques et magnétohydrodynamiques intervenant

dans le noyau terrestre. Chaque étude fait l’objet d’une partie indépendante de ce mémoire. Les

deux premières parties s’appuient sur des expériences en laboratoire et les deux dernières reposent

sur des calculs théoriques et numériques.

La première partie (FigureII.3a) traite de l’étude expérimentale d’un tourbillon vertical de métal

liquide (gallium) soumis à un champ magnétique transverse. Nous avons étudié l’effet simultané

des forces de Coriolis (dues à la rotation) et des forces de Lorentz (dues à la présence d’un champ

magnétique) sur une structure dynamique analogue à celles qui pourraient être présentes dans le

noyau liquide (colonnes convectives géostrophiques). Les mesures expérimentales (vitesse du fluide,

champ magnétique induit, différences de potentiels électriques, température) sont interprétées à

l’aide d’un modèle rendant compte de la dynamique du tourbillon et de la distribution des

cou-rants électriques en son sein. Les forces de Coriolis rigidifient l’écoulement selon l’axe de rotation

alors que l’effet principal du champ magnétique est de freiner le fluide, d’une part, et d’agrandir la

partie centrale du tourbillon, d’autre part ; cet élargissement concorde avec la présence de colonnes

géostrophiques de grand diamètre dans le noyau liquide. Les mesures expérimentales de

dissipa-tion ohmique (effet Joule) ont permis de montrer quant à elles que si l’écoulement dans le noyau

liquide se développe sous la forme de colonnes géostrophiques, alors le champ magnétique toroïdal

de grande échelle ne peut excéder 25 mT.

La deuxième partie (FigureII.3b) traite de cristallisation expérimentale de gallium. L’objectif est

cette fois de comprendre l’origine de l’anisotropie de la graine terrestre (observée par les

sismo-logues). Nous avons analysé expérimentalement les vitesses de cristallisation ainsi que la texture

des cristaux de gallium. L’anisotropie élastique mesurée au sein des polycristaux de gallium

(mé-thode ultrasonore) montre que l’orientation des axes cristallins n’est pas déterminée par la direction

du flux de chaleur, mais plutôt dictée par l’orientation de germes initiaux. Nous avons également

montré que la texture des cristaux de gallium est indépendante des conditions de solidification

comme la vigueur de l’écoulement ou le champ magnétique imposé. Il est conclu que l’anisotropie

de la graine pourrait être causée par une orientation préférentielle du réseau cristallin de fer, cette

orientation étant déterminée par les germes initiaux présents au centre de la graine.

La troisième partie (Figure II.3 c) traite d’un problème de couplage électromagnétique entre le

noyau liquide et la graine solide ; ce travail est motivé par de récentes études sismologiques

s’at-tachant à mesurer une rotation différentielle de la graine par rapport au manteau terrestre. Nos

simulations numériques montrent que le couplage électromagnétique est extrêmement efficace entre

II.1. Dynamique du noyau terrestre 37/173

la graine et le noyau : le couple synchronise la vitesse de rotation de la graine solide à la vitesse du

fluide avoisinant dans le noyau liquide. Une relation est établie, dans le cadre de nos hypothèses,

entre le champ magnétique toroïdal présent dans le noyau liquide et la super-rotation de la graine ;

cette relation suggère qu’une observation précise de la rotation différentielle de la graine (à l’aide de

la sismologie) pourrait donner lieu prochainement à une estimation du champ magnétique toroïdal

présent dans les profondeurs du noyau.

La quatrième partie (Figure II.3 d) traite d’un problème de couplage électromagnétique entre le

noyau liquide et le manteau solide ; nous avons étudié l’influence que pourrait avoir une couche

D” hétérogène (en conductivité électrique) à la base du manteau sur les chemins d’inversion d’un

dipôle magnétique. Le couplage électromagnétique hétérogène résulte en une rotation différentielle

entre le noyau et le manteau ; cette rotation est très lente (à l’échelle de temps des inversions) et

ne peut expliquer l’existence éventuelle d’un confinement longitudinal des pôles géomagnétiques

virtuels (PGV) pendant les inversions du champ magnétique.

Publications en lien avec la thèse

✓ Brito et coll.(1995) : Brito, D., Cardin, P., Nataf, H.C., & Marolleau, G., 1995.

Experimental study of a geostrophic vortex of gallium in a transverse magnetic field,

Physics of the Earth and Planetary Interiors, 91, 77–98.doi : 10.1016/0031-9201(95)03051-W

✓ Brito et coll.(1996) : Brito, D., Cardin, P., Nataf, H.C., & Olson, P., 1996.

Experiments on Joule heating and the intensity of the Earth’s magnetic field,

Geophysical Journal Internationa, 127, 339–347.doi : 10.1111/j.1365-246X.1996.tb04724.x

✓ Aurnou et coll. (1996) : Aurnou, J., Brito, D., & Olson, P., 1996.

Mechanics of inner core super-rotation,

Geophysical Research Letters, 23, 3401–3404. doi : 10.1029/96GL03258

✓ Aurnou et coll. (1996) : Aurnou, J., Brito, D., & Olson, P., 1996.

Anomalous Rotation of the Inner Core and the Toroidal Magnetic Field,

Journal of Geophysical Research, 103, 9721–9738.doi : 10.1029/97JB03618

✓ Brito et coll.(1999) : Brito, D.,Aurnou, J., & Olson, P., 1999.

Can heterogeneous core-mantle electromagnetic coupling control geomagnetic reversals ?,

Physics of the Earth and Planetary Interiors, 112, 159–170.doi :

10.1016/S0031-9201(98)00158-7

✓ Brito et coll.(2002) : Brito, D., Elbert, D., & Olson, P., 2002.

Experimental crystallization of gallium : ultrasonic measurements of elastic anisotropy and

implications for the inner core,

Physics of The Earth and Planetary Interiors, 129, 325–346.doi :

10.1016/S0031-9201(01)00298-9

II.1. Dynamique du noyau terrestre 38/173

a)

b)

c)

d)

M C a) b) M C

Figure II.3 : Illustrations des 4 études abordées lors de la thèse. a) Tourbillon de gallium sur la

table tournante du laboratoire LEGI à Grenoble (Brito et coll.,1995,1996). b) Bloc polycristallin

de gallium après une cristallisation directionnelle en laboratoire (Brito et coll.,2002). c) Illustration

de la super-rotation de la graine terrestre dans 3 configurations différentes d’écoulement dans le

noyau liquide (Aurnou et coll.,1996,1998). d) Illustration du couplage électromagnétique entre le

le champ magnétique du noyau et l’interface conductrice Noyau-Manteau, induisant des chemins

d’inversion longitudinaux préférentiels des Pôles Géomagnétiques Virtuels (VGP) lors de l’inversion

du champ magnétique terrestre (Brito et coll.,1999).

II.1. Dynamique du noyau terrestre 39/173

II.1.3 Mesures de l’écoulement fluide par effet Doppler dans les métaux liquides

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