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Le champ magnétique terrestre amplifié par la turbulence

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La turbulence, ensemble de mouvements aléatoires qui animent le métal en fusion du noyau terrestre, contribuerait au champ magnétique de notre planète, comme viennent de le démontrer des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre. Pour parvenir à ce résultat, ils ont modélisé le noyau externe de la Terre par du sodium liquide confiné entre deux sphères de métal concentriques et en rotation au moyen d'un dispositif baptisé Derviche Tourneur Sodium (DTS).

Image du dispositif « Derviche Tourneur Sodium ». La sphère externe en acier inox (au centre de l’image) renferme une sphère interne (ou graine) en cuivre, plus petite. Entre les deux se trouvent 40 litres de sodium liquide. Le rapport des rayons des deux sphères est identique à celui entre la graine et la limite noyau-manteau de la Terre. Le sodium représente donc par analogie le noyau fluide. © 2014 OSUG, Cnrs

Comme de nombreuses planètes et la plupart des étoiles, la Terre produit son propre champ magnétique par effet dynamo, c'est-à-dire grâce aux mouvements d'un fluide conducteur d'électricité, en l'occurrence, un mélange de fer et de nickel fondus. Cet océan de métal liquide, le noyau externe, entoure une graine de métal solide (ou noyau interne). Il est mis en mouvement par la convection que provoque le refroidissement du noyau. L'écoulement qui en résulte est particulièrement complexe : aux déplacements du fluide sur de grandes distances, bien compris et générateurs du champ magnétique, viennent s'ajouter des mouvements désordonnés, aléatoires, sur de courtes distances, les fluctuations turbulentes. Si celles-ci existent aussi dans l'atmosphère et dans l'océan, celles du noyau terrestre se distinguent, car elles sont sous la double influence de la rotation terrestre et d'un fort champ magnétique.

Cette turbulence particulière, ni les expériences en laboratoire ni les simulations informatiques ne sont aujourd'hui capables de la reproduire. Une simulation numérique complète des mouvements qui animent le noyau externe demanderait de couvrir une large gamme d'échelles avec un très petit pas temporel, ce qui est inaccessible avec les moyens actuels. Jusqu'à maintenant il était donc impossible pour les géophysiciens de déterminer son rôle vis-à-vis du champ magnétique.

L’expérience DTS consiste en la rotation différentielle de deux sphères concentriques. À l’aide de deux moteurs d’une puissance de 11 kW chacun, les sphères sont mises en rotation à une vitesse pouvant aller jusqu’à 30 Hz (30 tours par seconde, donc). Avec les deux sphères en contrarotation, la rotation différentielle peut donc atteindre 60 Hz. Cette expérience qui fait intervenir du sodium conducteur afin de simuler le comportement de la partie fluide du noyau de la Terre, avec des courants électriques et des champs magnétiques, se trouve dans un régime dit magnétostrophique où les forces de Coriolis et de Lorentz sont en équilibre, comme dans les noyaux planétaires. © 2014 OSUG

Un derviche tourneur pour percer les mystères de la géodynamo

Afin de mieux comprendre les interactions entre turbulence et champ magnétique, des chercheurs de l'Institut des sciences de la Terre, à Grenoble, ont utilisé l'expérience « Derviche Tourneur Sodium » ou DTS (en référence aux membres de l'ordre soufi, les derviches tourneurs qui dansent en tournant sur eux-mêmes), démarrée en 2005. Dans ce modèle de noyau terrestre miniature, 40 litres de sodium liquide (un fluide conducteur d'électricité) sont contenus dans l'espace séparant deux sphères concentriques. L'originalité de ce modèle réside dans le fait qu'un aimant au centre de la sphère interne fournit un fort champ magnétique et que la rotation de cette graine entraine très efficacement le liquide conducteur. Dans ces conditions, le sodium liquide est soumis à un champ magnétique élevé et à une forte rotation, comme on l'attend dans le noyau terrestre, et animé à la fois de mouvements de grande échelle et de fluctuations aléatoires.

Des capteurs répartis sur la sphère externe et à l'intérieur du sodium ont permis de cartographier le champ magnétique, tandis que des faisceaux d'ultrasons mesuraient, par effet Doppler, la vitesse d'écoulement du fluide. Grâce à ces données, les chercheurs ont démontré que les mouvements turbulents augmentent la capacité du fluide à conduire l'électricité, et donc amplifient le champ magnétique, loin de l'atténuer comme avaient suggéré de précédentes expériences. Ce phénomène, observé pour la première fois en laboratoire, a été confirmé par des simulations numériques.

Ces résultats (publiés dans la revue Physical Review Letters) s'appliquent aussi aux planètes qui ont un champ magnétique et aux étoiles. La découverte de ce nouvel ingrédient du champ magnétique permettra peut-être d'expliquer pourquoi dans le cas de Vénus, planète « jumelle » de la Terre, le noyau métallique liquide ne produit pas de champ magnétique. Plus près de nous, mieux connaître ces fluctuations turbulentes pourrait aider à comprendre les inversions du champ magnétique.

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