Two aspects of fluid dynamics in planetary cores
Deux aspects de la dynamique des fluides des noyaux planétaires
Résumé
This manuscript presents two independent studies on the fluid dynamics of planetary interiors.
The first part of this manuscript is a numerical study of thermal convection and magnetic field generation driven by internal heating in rotating spheres; a configuration appropriate for planetary cores prior to inner-core nucleation. For sufficiently vigorous convection, we find that the flow becomes strongly asymmetric with respect to the equator; this result contrasts with previously published studies of convection in spherical shells (i.e. with an inner core) where the flow is essentially symmetric. An antisymmetric and axisymmetric (EAA) mode then strongly influences the total flow and conflicts with the Taylor-Proudman theorem. We show that this spontaneous emergence of antisymmetric flow components induces localized magnetic fields with up to 90% of the total magnetic energy contained in a single hemisphere. Our results suggest a parsimonious scenario to explain the hemispherical crustal magnetic field of Mars.
In the second part of this manuscript, we present experiments on the instability and fragmentation of blobs of a heavy liquid released into a lighter immiscible liquid. These processes likely occurred on a massive scale during the formation of the Earth and its core, when dense liquid metal blobs were released within deep molten silicate magma oceans. During the fragmentation process, we observe deformation of the released fluid, formation of filamentary structures, capillary instability, and eventually drop formation. We find that, at low and intermediate Weber number (which measures the importance of inertia versus surface tension), the fragmentation regime results from the competition between a Rayleigh-Taylor instability and the roll-up of a vortex ring. At sufficiently high Weber number (the relevant regime for core formation), the large-scale flow behaves as a turbulent vortex ring or a turbulent thermal: it forms a coherent structure with self-similar shape during the fall and grows by turbulent entrainment of ambient fluid. An integral model based on the entrainment assumption, and adapted to buoyant vortex rings with initial momentum, is consistent with our experimental data. Such results provide the relevant framework for the development of geochemical core formation models that incorporate fluid dynamic constraints.
Cette thèse contient deux études portant sur la dynamique des fluides des noyaux planétaires.
La première partie de ce manuscrit est une étude numérique de la convection thermique et de la génération de champ magnétique dans une sphère pleine en rotation; une configuration qui est appropriée pour étudier la dynamique d'un noyau planétaire sans graine. Quand la vigueur de la convection est suffisamment élevée, nous obtenons des écoulements fortement asymétriques par rapport à l'équateur, contrastant avec les écoulements essentiellement symétriques obtenus en présence d'une graine dans les études précédentes. Un mode antisymétrique et axisymétrique (EAA), brisant la contrainte de Taylor-Prouman, influence alors fortement l'écoulement total. Nous montrons que l'émergence spontanée de ces écoulements fortement asymétriques induit un champ magnétique localisé dans un hémisphère. Ces résultats suggèrent un scénario parcimonieux pour expliquer l'asymétrie du champ magnétique crustal de Mars.
Dans la seconde partie, nous présentons des expèriences sur la déstabilisation et la fragmentation d'un volume de fluide dense dans un autre liquide non-miscible. De tels processus ont eu lieu à grande échelle lors des impacts qui ont formé la Terre et son noyau : le métal liquide de l'impactant était alors relâché dans un océan de magma moins dense. Pendant le processus de fragmentation, nous observons la déformation du fluide dense, la formation de structures filamentaires, et finalement la formation de gouttes. Pour des nombres de Weber (rapport des forces d'inertie et de tension de surface) suffisamment faibles, le régime de fragmentation résulte de la compétition entre une instabilité de Rayleigh-Taylor et la formation d'un anneau de vorticité. Pour des nombres de Weber suffisamment élevés (le régime pertinent pour la formation du noyau), l'écoulement grande échelle se comporte comme un thermique turbulent : il forme une structure cohérente et autosimilaire qui croit par entraînement de fluide ambiant. Un modèle basé sur l'hypothèse d'entraînement turbulent, et adapté au cas d'un anneau de vorticité ayant une inertie initial, est en accord avec nos résultats expérimentaux. Cela démontre que le concept d'entraînement turbulent peut être appliqué à une interface séparant des fluides non-miscibles. Ces résultats fournissent le cadre général nécessaire à l'insertion de contraintes physiques dans les modèles chimiques de formation du noyau.