CNRS-INSU-PNP Effets alpha, beta et oméga en régime magnétostrophique

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Durée : 2013 - 2014

Financement : CNRS-INSU Programme National de Planétologie

Coordinateur : Henri-Claude Nataf (ISTerre)

Equipes ISTerre impliquées :
– Géodynamo

Collaborations :
– University of Maryland - Dan Lathrop’s Non Linear Lab

)]

Dans le cadre de la thèse de S. Cabanes, encadrée par H-C. Nataf et N. Schaeffer (allocation fléchée Université de Grenoble), nous mettons au point une méthode pour retrouver dans notre expérience DTS les effets alpha, beta et oméga qui sont les ingrédients qu’utilisent les théoriciens pour construire des dynamos de grande échelle tenant compte des fluctuations cohérentes de petite échelle. Depuis les travaux fondateurs de Parker (1955) on dispose d’un scénario efficace de génération d’un champ magnétique dans les étoiles et les planètes : la rotation différentielle convertit du champ magnétique poloidal en champ toroïdal (effet oméga) et les fluctuations non-axisymétriques convertissent du champ poloidal en champ toiroidal (effet alpha), fermant ainsi la boucle d’amplification du champ. A contrario, les fluctuations contribuent aussi à la diffusion du champ de grande échelle (effet beta).

Après les succès des dynamos « guidées » au sodium liquide de Riga et de Karlsruhe, en 2000, toutes les tentatives d’obtenir des dynamos expérimentales turbulentes (Maryland, Madison, Cadarache) se sont soldées par un échec (le groupe de VKS a bien obtenu une dynamo, mais seulement lorsque le dispositif comporte des parties ferromagnétiques). Il apparait qu’au lieu de contribuer à l’apparition du champ magnétique, les fluctuations turbulentes de petite échelle réduisent le potentiel dynamogène de l’écoulement de grande échelle. Plusieurs équipes ont estimé ces effets dans des écoulements turbulents, en imposant un faible champ magnétique et en étudiant la réponse du fluide. Ainsi les équipes VKS et de Madison ont-elles obtenu des mesures de l’effet alpha pour leurs écoulements de type von Karman. Le groupe de Perm a obtenu une mesure de l’effet béta (diffusion turbulente) en imposant un champ oscillant à leur tore sodium.

Dans les dynamos planétaires, les écoulements sont fortement contraints par le champ magnétique et il est crucial de prédire les effets des petites échelles sur la dynamo dans ce cas-là. Avec notre expérience DTS de Couette sphérique en rotation avec un champ magnétique imposé, nous avons la possibilité d’examiner cette question dans le cas d’un écoulement où la force de Lorentz joue un rôle dominant. Mais il faut alors cartographier l’écoulement in situ, plutôt que de s’en remettre à l’écoulement mesuré dans un modèle en eau. Grâce à des avancées instrumentales importantes, c’est ce que nous avons commencé à faire, en combinant les mesures de vitesse d’écoulement le long de profils Doppler ultrasonores quadrillant le fluide (Brito et al, 2011).

Nous avons également mesuré le champ magnétique induit, et calculé l’effet oméga produit par l’écoulement. La différence provient de la contribution des fluctuations qu’on peut mettre sous la forme d’effet alpha.

Les faibles écarts à l’axisymétrie du champ magnétique (principalement dipolaire) imposé par la graine en rotation produisent un signal oscillant à la période de rotation de la graine, que nous avons également cartographié. Utilisant le code numérique développé par N. Schaeffer, S. Cabanes (Cabanes et al, SEDI 2012) cherche à rendre compte des observations en terme d’effet oméga et de diffusivité turbulente (effet beta). La méthode développée pourra être utilisée pour d’autres expériences (BigSister dans le Maryland) et dans des simulations numériques.

Pour la première fois, nous pourrions déterminer les effets alpha, beta et oméga d’un écoulement réel en géométrie sphérique avec fort champ magnétique. Cela représenterait un pas important vers la communauté des théoriciens qui ont beaucoup étudié le comportement de dynamos paramétrisées avec des effets alpha et oméga ad hoc.

Nous disposons d’un jeu de données suffisant dans le cas où la sphère externe est à l’arrêt. Nous voudrions obtenir des données lorsque la sphère externe tourne, dans un régime plus « planétaire ». Nous devons donc embarquer une électronique de numérisation. Cette électronique est en phase de test, et nous demandons un financement (8 k€) pour réaliser les modules mécaniques qui permettront d’embarquer cette électronique, et de mener une série de campagnes de mesures en rotation. Nous demandons également un financement mission (3 k€), principalement pour poursuivre les collaborations engagées avec Dan Lathrop de l’Université du Maryland.