Date : 2013
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : français / French
Théorie dynamo (physique spatiale)
Collection : Lille-thèses / Atelier de reproduction des thèses / Lille : Atelier national de reproduction des thèses , 1983-2017
Résumé / Abstract : Le champ magnétique du Soleil présente des inversions régulières de ses composantes magnétiques, aux petites échelles comme à l’échelle du dipôle. Le champ magnétique de la Terre, quant à lui, est essentiellement dipolaire et s’inverse de fac¸on irrégulière. Ces différences nous ont amenés à nous interroger sur les particularités des dynamos solaire et terrestre. Pour répondre à ce problème, nous utilisons un code tridimensionel qui modélise la zone dynamo par une coquille située entre deux sphères concentriques. Le rapport du rayon de ces sphères est appelé rapport de formes. Pour la dynamo terrestre, située dans le noyau externe, il est d’environ 0,35 ; pour la zone convective, siège de la dynamo solaire, il est d’environ 0,7. Durant les travaux de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’influence du rapport de formes sur le comportement des dynamos. Une autre différence peut jouer un r ôle important dans le comportement magnétique de la Terre et du Soleil : les conditions aux limites. Les enveloppes avoisinant le noyau externe (la graine et le manteau) sont solides, par rapport à l’échelle temporelle de déplacement du fer liquide. Des conditions limites rigides peuvent donc correctement modéliser les bords de la géodynamo (ces dynamos sont appelées dynamos No-Slip No-Slip). La dynamo du Soleil quant à elle est entourée de fluides. Toutefois, à sa base, elle présente un cisaillement important. Pour ces raisons nous avons modélisé des conditions rigides à la base de la dynamo, et des conditions à déplacement libre au sommet de celle-ci (de telles dynamos sont appelées dynamos No-Slip Stress-Free). Lors de cette thèse, nous avons ainsi testé l’influence de ces différentes conditions aux bords sur le comportement de la dynamo. Enfin, la sphère interne limitant la base de la zone dynamo est conductrice et peut tourner sous l’effet des couples magnétiques et visqueux (c’est par exemple le cas pour la graine). L’influence de cette condition limite a également été étudiée. Lorsque le rapport de formes augmente, nous avons observé, dans le cas des dynamos No- Slip Stress-Free (avec et sans graine conductrice) et des dynamosNo-SlipNo-Slip, avec une graine conductrice, une transition d’un mode dynamo (( dipolaire et statique )) vers un mode dynamo ((multipolaire et ondulatoire )).Nous avonsmontré que les dynamos ondulatoires présentent des ondes dynamos et des ondes hydrodynamiques. Dans le cas des dynamos No-Slip Stress-Free, une transition entre deux solutions du mode (( dynamo multipolaire et ondulatoire )) a été trouvée : en augmentant le rapport de formes, les ondes cessent de dériver longitudinalement et oscillent autour d’une position fixe. Seules des ondes dérivant longitudinalement ont été trouvées au sein des dynamosNo-Slip Stress-Free dont la graine est conductrice (mais ne tourne pas). Augmenter le nombre de Rayleigh, ou abaisser le nombre de Prandtl magnétique favorise la solution ondulatoire. En outre, lorsque le rapport de formes croˆıt, nous avons trouvé, dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip, une transition entre un mode ondulatoire et un mode dynamo dont le champ magnétique, dipolaire, s’inverse de fac¸on irrégulière. Aucune transition n’a été trouvée dans le cas des dynamos No-Slip No-Slip présentant une graine isolante. Ces résultats montrent que les dynamos à inversions obtenues sont générées par un cisaillement important des lignes de champ magnétique ; ce cisaillement peut être causé par les différentes échelles du fluide, ou par une graine conductrice. Nous proposons également des explications quant aux mécanismes générant les ondes dynamos et les transitions entre modes dynamos observés
Résumé / Abstract : The solar magnetic field exhibits regularly polarity reversals, both on small scales and on large dipolar scales. The magnetic field of the Earth looks quite different : it is essentially dipolar and reverses very irregularly. This observation leads us to ponder on the origin of each of these behaviour, and their possible common features. To address this question, we use a fully three dimensional convective code that models the dynamo zone in the shell formed by two spheres. The ratio between the inner and the outer sphere radius, surrounding the dynamo zone, is called the aspect ratio. For the Earth, the aspect ratio of the dynamo zone, the outer core, is about 0.35. It is about 0.7 for the solar dynamo, that takes place in the convective zone. During this PhD work, we investigate how the aspect ratio controls the behaviour of the magnetic field. A second feature can play an important role in the behaviour of the magnetic field produced by dynamo effect : the boundary conditions. For the Earth, the dynamo zone is bounded by solids (the inner core and the mantle), with regards to the motion of the fluid in the outer core. Thus, no-slip boundary conditions can suitably model the top and the bottom of the dynamo zone (in this thesis, such dynamos are called No-Slip No-Slip dynamo). For the Sun, the convective zone is surrounded by fluids. But at the base of the convective zone an important shear is be observed. That is why we modeled the bottom boundary with a no-slip condition while the top one is assumed to be stress free (such dynamo are called No-Slip Stress-Free dynamos). During this work, we test the influence of these different boundary conditions on the magnetic field behaviour. Finally, the inner sphere bounded the dynamo zone (like the inner core for the Earth) is conducting and can rotate under the magnetic and viscous torques. The influence of a conducting inner core has also been investigated. We show that, while increasing the aspect ratio, both No-slip Stress-Free dynamos (with and without insulating inner core) and No-Slip No-Slip dynamos with a conducting (and rotating) inner core present a transition from large scales steady dipolar dynamos to multipolar and regularly reversing dynamos. We show that the wavy dynamo present both hydrodynamic and dynamo waves. In the case ofNo-slip Stress-Free dynamos, a transition between two kinds ofwavy solutions has been found : by increasing the aspect ratio, the waves stop drifting in azimuth and oscillate around a fixed location. Only wavy solutions drifting in azimuth have been found in the case of No-slip Stress-Free dynamos with conducting (but not rotating) inner core. Increasing the Rayleigh number or decreasing the magnetic Prandtl number favors the growth of wavy solutions. Moreover, by increasing further the aspect ratio, No-Slip No-Slip dynamos with a conducting inner core present a transition from regularly multipolar wavy dynamos to large scales dipolar irregularly oscillating dynamos. No transition between steady and oscillating dynamos have been found with No-Slip No-Slip boundary conditions when the inner core is insulating. These results show that reversing dynamo are generated by important shear of the magnetic field lines, and that this shear can be due to the different scales of the fluid or to the conducting inner core. We also propose some interpretations to explain the oscillations of wavy dynamos and the transition between the different dynamo’s regimes