Champs magnétiques générés par effet dynamo dans les objets astrophysiques en rotation

par Mélissa Menu

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Sébastien Galtier et de Ludovic Petitdemange.

Soutenue le 04-12-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Caroline Nore.

Le jury était composé de Sébastien Galtier, Ludovic Petitdemange, Franck Plunian, Yannick Ponty, Michael Le Bars, Laurène Jouve.

Les rapporteurs étaient Franck Plunian, Yannick Ponty.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est d'étudier la génération des champs magnétiques astrophysiques via l'effet dynamo. L’impact d’une rotation globale et d’un champ magnétique moyen imposés simultanément , configuration appropriée notamment aux intérieurs planétaires et stellaires, est au cœur de cette étude. Une attention particulière est portée à la dynamique temporelle du système, ainsi qu’à la topologie du champ généré. Dans le but d’obtenir une vision d’ensemble, plusieurs approches numériques ont été utilisées, du modèle cubique (code TURBO) focalisé sur l’étude de phénomènes locaux jusqu’au modèle sphérique (code PaRoDy) permettant une comparaison plus directe avec les observations. Ces deux types de géométrie se complètent dans la mesure où l’approche locale, moins contraignante, permet d’observer précisément les conséquences d’un paramètre tandis que l’approche globale est soumise à des contraintes plus réalistes, telles que la convection thermique. Le modèle local a révélé une cascade inverse d’hélicité hybride, second invariant de la MHD doublement anisotrope, dont l’intensité dépend de plusieurs paramètres. Celle-ci est plus importante lorsque la polarisation favorisée par le forçage correspond aux ondes magnétostrophiques (polarisation droite). Également, l’angle d’inclinaison entre les axes du champ magnétique et de la rotation joue un rôle prépondérant, en particulier lorsque $theta > 35^o$, valeur pour laquelle le processus à l’origine de la cascade change et l’affaiblit. Enfin, augmenter le nombre de Prandtl magnétique (Pm) mène à un transfert de l’énergie magnétique vers les grandes échelles plus rapide et plus important . L’étude globale montre également le rôle clé de Pm dans la génération du champ à grande échelle. En effet, les nouvelles valeurs explorées montrent que de forts champs dipolaires peuvent être maintenus dans des régimes plus turbulents. Ce comportement spécifique correspond aux dynamos pour lesquelles la force de Lorentz est non négligeable à grande échelle. L’importance relative de l’inertie face aux forces magnétique est décisive dans la topologie du champ observé. Ainsi, la transition d’un régime dipolaire vers un régime multipolaire est retardée par la force de Lorentz, composante essentielle des équilibres de forces en astrophysique. Ces résultats pourrait s’appliquer à divers systèmes, notamment au champ géomagnétique pendant les renversements.

  • Titre traduit

    Dynamo generated magnetic fields in rotating astrophysical objects


  • Résumé

    The objective of this thesis is to investigate the generation of astrophysical magnetic fields via the dynamo effect. The impact of a global rotation and an average magnetic field imposed simultaneously, suitable configuration especially for planetary and stellar interiors, is the main issue of this study. Particular attention is paid to the temporal dynamics of the system, as well as to the topology of the generated field. In order to obtain an overview of the phenomenon, several numerical approaches were used, from the cubic model (TURBO code) focused on the study of local phenomena to the spherical model (PaRoDy code) allowing a more direct comparison with observations. These two types of geometry complement each other : the less constraining local approach makes it possible to observe precisely the consequences of a parameter, while the global approach is subject to more realistic constraints, such as thermal convection. The local model revealed an inverse cascade of hybrid helicity, the second invariant of the doubly anisotropic MHD, whose intensity depends on several parameters. The latter is more important when the polarization favored by the forcing corresponds to magnetostrophic waves (right polarization). Also, the tilt angle between the magnetic field and the rotation axes plays a major role, especially when $theta > 35^o$, the value for which the process causing the cascade changes and weakens it. Finally, increasing the number of magnetic Prandtl (Pm) leads to a faster and more important transfer of magnetic energy to large scales. The global study also shows the key role of Pm in large-scale field generation. Indeed, the new values explored show that strong dipole fields can be maintained in more turbulent regimes. This specific behaviour corresponds to dynamos for which the Lorentz force is not negligible at large scales. The relative importance of inertia compared to magnetic forces is decisive in the topology of the observed field. Thus, the transition from a dipolar regime to a multipolar regime is delayed by the Lorentz force, the essential component of force balances in astrophysics. These results could be applied to various systems, including the geomagnetic field during reversals.


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