Influence de la rotation de la Terre sur les instabilités convectives

Publié par Adrien le 06/09/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSU
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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et à générer le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...) terrestres.

La stabilité en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) est caractérisée par la capacité d'un système à revenir vers sa situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) 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 dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des...). La convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de matière dans le milieu, par opposition à la conduction thermique ou diffusion de la matière. La matière est...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) en est un exemple connu. En effet, lorsqu'une couche de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...) horizontale est chauffée par-dessous et refroidie par-dessus, il existe une différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...), 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) d'Archimède (Archimède de Syracuse (en grec ancien : Ἀρχιμήδης/Arkhimếdês), né à Syracuse vers 287...) et ce mouvement augmente le transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) de 1 cm d'épaisseur. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...) 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 (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes sédentarisés libres (pouvant avoir des esclaves), constituant une...) 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 (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en...), volcans, sources hydrothermales, manteau et noyau terrestres...) ainsi que dans les autres planètes et étoiles de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) !

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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire...) 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 (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...), s'organisent en tourbillons alignés avec son axe de rotation et produisent le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) géomagnétique par effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe Gramme. La dynamo repose sur un...): 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 (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation...) 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 (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) 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 (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est biologiquement programmé, dans des conditions...) et les extinctions abruptes des dynamos de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La...) 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.

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).
- animation (L'animation consiste à donner l'illusion du mouvement à l'aide d'une suite d'images. Ces images peuvent être dessinées, peintes, photographiées,...) représentant les tourbillons de l'écoulement dans un plan équatorial et dans un demi plan méridien (Sur la surface d'une sphère tournant autour d'un axe passant par son centre on peut tracer un repère constitué des cercles qui restent invariants dans la rotation; on repère ces cercles par l'angle au...) (en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) les cyclones et en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement...) les anticyclones). Les tourbillons sont alignés avec l'axe de rotation.
- animation représentant les anomalies de température dans un demi plan équatorial et méridien (En géographie, un méridien est un demi grand cercle imaginaire tracé sur le globe terrestre reliant les pôles géographiques. Tous les points de la Terre situés sur un même...) (en jaune-blanc ce qui est plus chaud et en violet-noir ce qui est plus froid). Ces anomalies engendrent des anomalies de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence...) et donc des forces d'Archimède qui entrainent une dynamique quasi bidimensionnelle du fluide.
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