Dynamos numériques planétaires générées par cisaillement en surface ou chauffage interne

par Céline Guervilly

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre, univers et environnement

Sous la direction de Philippe Cardin.

Soutenue en 2010

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble) .

mots clés

• Générateurs de courant continu
• Chaleur -- Convection
• Terre -- Rotation
• Géomagnétisme

Résumé

Nous développons un code numérique hybride basé sur un modèle quasi-géostrophique des écoulements dans les noyaux planétaires forcés par un chauffage interne. Pour des petits nombres de Prandtl, une caractéristique robuste de ces écoulements est la présence d'une circulation géostrophique zonale de grande amplitude dont la taille et l'amplitude sont contrôlées par le mélange de vorticité potentielle et la friction aux bords. Des ondes de Rossby de grande taille se propagent dans la zone de convection vigoureuse. Ces écoulements produisent des dynamos cinématiques au champ poloïdal de petite échelle et au champ toroïdal dominé par le mode axisymétrique. L'impact du vent thermique agéostrophique sur le seuil dynamo n'est pas significatif. Nous étudions ensuite les dynamos générées par un cisaillement en surface. Un écoulement de Couette sphérique (entre deux sphères en rotation différentielle) produit des dynamos aux nombres de Reynolds magnétique critiques élevés. La brisure de symétrie axiale de l'écoulement par l'instabilité en cisaillement est cruciale. Le champ magnétique toroïdal est de grande amplitude par rapport au champ poloïdal impliquant le rôle de l'effet omega. Finalement nous étudions l'effet dynamo produit par des jets zonaux, mouvements de rotation différentielle alternativement est-ouest. Les jets zonaux imposés en surface sont modifiés par des ondes de Rossby qui provoquent leur élargissement et une diminution de leur amplitude. Le mécanisme dynamo est basé sur la propagation des ondes de Rossby. On établit un lien entre production de champ poloïdal axisymétrique et épaisseur des jets zonaux à travers le nombre d'onde du mode de Rossby.

Résumé

We develop a hybrid numerical code based on a quasi-geostrophic model for the flows inside the planetary cores driven by internaI heating. For small Prandtl numbers, large amplitude geostrophic zonaI circulations are a robust feature of these flows. The scale and the amplitude of the zonaI motion are controlled by potential vorticity mixing and boundary friction. We identify the presence of large-scale Rossby waves propagating in the vigourously convecting region. The flows produce kinematic dynamos, with a small-scale poloidal magnetic field and a mainly axisymmetric toroidal field~ We find that the impact of the thermal wind on the dynamo threshold is not significant. Ln the second part of this thesis, we study dynamos generated by surface shears. Spherical Couette flow (between two spheres in differential rotation) produces dynamos with a high critical Reynolds number. By breaking the axial symmetry of the flow, the shear instability (in the form of a wave) plays a crucial role. The toroidal magnetic field is large compared with the poloidal field, suggesting the role of the omega effect. We study the dynamics and the dynamo action produced by zonaI jets, Le. , produced by differential rotation that is alternately westward and eastward. The zonaI jets imposed at the outer surface are modified by Rossby waves, which widen the jets and lower their amplitude. The dynamo mechanism relies on the propagation of the Rossby waves. We can establish a link between production of the axisymmetric poloidal magnetic field and the width of the iets throul!h the lenl!thscale of the Rossbv waves.