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Influence de la rotation de la Terre sur les instabilités convectives

par Chargé(e) de mission communication - 7 septembre 2017 ( maj : 3 octobre 2017 )

Des chercheurs de l’Institut des sciences de la Terre (ISTerre/OSUG, CNRS / UGA / IRD / IFSTTAR / USMB) viennent de mettre en évidence l’influence de la rotation de la Terre sur l’évolution des instabilités convectifs dans les systèmes naturels. En conséquence, les mouvements convectifs du noyau terrestre pourraient se maintenir plus longtemps que prévu et continuer ainsi à évacuer la chaleur et à générer le champ magnétique terrestres.

La stabilité en physique est caractérisée par la capacité d’un système à revenir vers sa situation d’équilibre à la suite d’une perturbation. Le système est dit instable quand une perturbation le fait évoluer vers un autre état. L’instabilité est un phénomène assez courant, notamment en dynamique des fluides. La convection thermique en est un exemple connu. En effet, lorsqu’une couche de fluide horizontale est chauffée par-dessous et refroidie par-dessus, il existe une différence de température, dite critique, au-delà de laquelle le fluide se met en mouvement : c’est l’instabilité convective. En dessous du seuil critique (sous-critique), le fluide est au repos et la chaleur diffuse lentement à travers le fluide, comme elle le ferait à travers un solide. Au-delà du seuil (sur-critique), des panaches chauds (froids) de fluides s’élèvent (s’enfoncent) dans le fluide sous l’action de la force d’Archimède et ce mouvement augmente le transfert de chaleur à travers la couche. Par exemple, on évalue qu’il faut 0,1°C de différence de température pour déclencher les mouvements dans une couche d’eau de 1 cm d’épaisseur. La théorie du déclenchement de ces instabilités a été décrite en détail par le Nobel de physique Chandrasekhar en 1953. Cette situation est en général réversible, ce qui veut dire dans l’exemple cité que si le saut de température devient inférieur à 0.1°C, le fluide revient au repos.
Ces instabilités convectives sont légions dans les systèmes naturels qui nous entourent (atmosphère, océans, volcans, sources hydrothermales, manteau et noyau terrestres…) ainsi que dans les autres planètes et étoiles de l’Univers, tout système qu’elles contribuent à refroidir. Avec ce refroidissement, les fluides sont de moins en moins chauffés par le dessous et la convection s’atténue puis s’arrête quand le seuil critique est atteint… laissant place à un refroidissement par conduction, moins efficace, et annihilant toute dynamique !

Des chercheurs d’ISTerre ont étudié ce phénomène à l’aide de modèles numériques simplifiés, puis d’un modèle 3D complet, ce qui leur a permis de découvrir que la rotation d’ensemble de la planète changeait ce scénario, à savoir que les mouvements convectifs déclenchés dans une situation sur-critique ne s’éteignaient pas quand la différence de température devenait sous-critique.
Prenons le cas du noyau terrestre, au sein duquel les mouvements convectifs, fortement influencés par la rotation d’ensemble de la Terre, s’organisent en tourbillons alignés avec son axe de rotation et produisent le champ géomagnétique par effet dynamo : même quand la chaleur à évacuer sera devenue insuffisante pour maintenir ces mouvements, ils pourront néanmoins subsister et continuer ainsi à assurer la génération du champ magnétique. Même si, aujourd’hui, les chercheurs ne savent pas exactement quel mécanisme maintient cette convection sous-critique, ils savent que la turbulence de l’écoulement (et sa forme particulière en présence de rotation d’ensemble) est une condition nécessaire à son apparition. C’est tout l’enjeu de la poursuite de ces études.
Lorsque la différence de température continue à diminuer, la convection s’arrête brutalement et le fluide passe soudainement d’un état turbulent au repos, faisant apparaître un nouveau seuil de convection sous-critique, un phénomène que les chercheurs doivent aussi comprendre pour pouvoir le prédire pour les systèmes convectifs planétaires. Cela pourrait-il expliquer la longévité et les extinctions abruptes des dynamos de la Lune et de Mars ? Le noyau terrestre est-il déjà en situation sous-critique ? Répondre à ces questions clés permettra de comprendre les différences entre ces différents astres.

Informations complémentaires :
Voir deux animations correspondant à une situation sous critique de convection correspondant à un forçage inférieur de 30 % au forçage nécessaire pour faire démarrer la convection thermique (Ek = 10-7, Pr = 0.01 et Ra = 0.69 Ra_crit) :

Source
Subcritical thermal convection of liquid metals in a rapidly rotating sphere, 2017), TE. J. Kaplan, N. Schaeffer, J. Vidal, et P. Cardin, Physical Review Letters, 1 septembre 2017, DOI : arXiv:1701.04623

Contact scientifique local
- Philippe Cardin, ISTerre/OSUG, philippe.cardin[at]univ-grenoble-alpes.fr, 04 76 63 51 76

Cette actualité est également relayée par
- l’institut national des sciences de l’Univers du CNRS (INSU)

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