La turbulence des noyaux planétaires excitée par les marées

Publié par Adrien le 26/07/2017 à 00:00
Source: CNRS
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Véritables boucliers contre les particules à hautes énergies, les champs magnétiques des planètes sont produits par des mouvements de fer dans leur noyau liquide. Le modèle dominant pour expliquer ce système s'accorde cependant mal avec les plus petits astres. Des chercheurs de l'Institut de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS/Aix Marseille Université/Centrale Marseille) et de l'université de Leeds (L'université de Leeds (University of Leeds) est une université anglaise située dans...) proposent un nouveau modèle, dans lequel l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) des noyaux liquides serait due aux marées produites par les interactions gravitationnelles entre les astres. Au lieu de grands tourbillons turbulents de fer fondu loin sous la surface, les mouvements du noyau seraient dus à une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) de nombreuses agitations ondulatoires. Ces travaux sont publiés dans Physical Review Letters le 21 juillet 2017.


Gauche: simulation d'une parcelle cubique située au sein du noyau liquide d'une planète déformée par les effets de marées. En concentrant leurs efforts numériques sur ce domaine réduit, les chercheurs ont accédé à des régimes proches des régimes planétaires. L'écoulement prend alors la forme d'une superposition d'ondes qui interagissent non-linéairement jusqu'à former une turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse...) tridimensionnelle d'ondes inertielles (cf. champ de vorticité verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) au centre), en opposition aux modèles classiques où l'écoulement évolue vers des structures tourbillonnaires à plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), alignées avec l'axe de rotation (cf. champ de vorticité verticale à droite).
© Thomas Le Reun / Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS/Aix Marseille Université/Centrale Marseille)

Les scientifiques s'accordent à dire que la formation et le maintien des champs magnétiques résultent d'écoulements de fer dans le noyau liquide. Les discussions se compliquent quand il s'agit de déterminer ce qui permet à ces masses colossales de se mouvoir. Le modèle dominant se base sur le lent refroidissement des astres, qui entraîne une convection, qui crée à son tour de grands tourbillons de fer fondu parallèles à l'axe de rotation du corps céleste. Or, les petites planètes et les lunes se refroidissent trop vite pour qu'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) puisse encore s'y maintenir par convection, plusieurs milliards d'années après leur formation. Des chercheurs de l'IRPHE (CNRS/Aix Marseille Université/Centrale Marseille) et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Leeds ont donc présenté un modèle alternatif où ce sont les interactions gravitationnelles entre les astres qui agitent le noyau.

Les marées, produites par ces interactions gravitationnelles, déforment en effet le noyau périodiquement et amplifient les mouvements ondulatoires naturellement présents dans le fer liquide en rotation. Ce phénomène finit par produire un écoulement complètement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept...), dont la nature n'est pas encore bien comprise. Afin de l'étudier, les chercheurs ont utilisé un modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) d'une petite parcelle d'un noyau planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...), plutôt qu'une simulation du noyau dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...), qui serait bien trop gourmande en puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul. Cette approche permet de caractériser finement les mouvements créés dans les régimes géophysiques extrêmes, tout en gardant les ingrédients physiques essentiels. Les chercheurs ont ainsi montré que la turbulence résulte d'une superposition d'un très grand nombre de mouvements ondulatoires qui échangent entre eux en permanence de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Cet état particulier, appelé turbulence d'ondes, peut être vu comme un analogue en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) du mouvement de la surface de la mer, loin des côtes.

Ces travaux ouvrent la voie à de nouveaux modèles permettant de mieux comprendre et prédire les propriétés du champ magnétique des astres. Ce modèle de marées s'appliquerait à tous les corps en orbite, suffisamment déformés par les étoiles, planètes ou lunes voisines.
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