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Les marées à l’origine des champs magnétiques de certaines planètes

L’agitation dans le noyau de fer liquide de la Terre est vitale, car elle est à l’origine du champ magnétique externe, qui nous protège des rayonnements cosmiques. Le champ magnétique est engendré par effet dynamo à partir de  l’écoulement du fluide conducteur qui forme le noyau externe. Qu'en est-il des autres planètes ? La convection est un moteur essentiel de ces mouvements, mais elle diminue très vite à mesure que la taille du corps céleste considéré décroît.

Thomas Le Reun, Benjamin Favier et Michael Le Bars, de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE-Université Aix Marseille-Centrale Marseille) ainsi qu’Adrian Barker de l’université de Leeds présentent dans Physical Review Letters un nouveau modèle qui propose que l’agitation des noyaux liquides des planètes est due aux forces de marées.

Un nouveau modèle pour les astres plus petits

Lors de la formation d’une planète, l’accrétion de matière dégage de l’énergie sous forme de chaleur. À ses débuts, la planète est un amas de roches en fusion couverte d'un océan de magma à sa surface. Mais, si la chaleur est en partie entretenue par la radioactivité naturelle des roches, la planète finit par se refroidir, en commençant par ses couches externes. La différence de température entre le centre de la planète et sa surface entraîne des mouvements de convections dans le manteau, mais aussi dans le noyau liquide. La convection dans le noyau amplifie toutes les petites turbulences pour donner naissance à de grands tourbillons qui sont à l’origine de l’effet dynamo.

Cependant, pour les corps célestes les plus petits, le refroidissement est trop rapide pour que la convection s’établisse. Les physiciens ont donc cherché un autre mécanisme susceptible de mettre le noyau liquide en mouvement. Ils ont naturellement porté leur intérêt sur les phénomènes de marées, qui sont le fruit d’interactions gravitationnelles entre différents astres. « Les marées déforment les astres. Ceux-ci ne sont plus sphériques mais elliptiques. Il se forme alors des instabilités dites elliptiques. Nous avons supposé que ces instabilités pouvaient être à l’origine de la turbulence dans le noyau », explique Thomas Le Reun, doctorant et auteur de l’étude.

Simuler une parcelle du noyau liquide

Pour vérifier leur hypothèse, les quatre chercheurs ont simulé un petit volume du noyau liquide. « Simuler tout le noyau aurait été trop gourmand en calculs », précise Thomas Le Reun. Ils ont appliqué à cette parcelle cubique un mouvement de rotation pour simuler la rotation de la planète, et des forces de marées pour obtenir des déformations. Dans ce volume, les chercheurs ont ajouté des petites perturbations et ils ont observé leurs amplifications sous l’effet de la rotation et des forces de marées.

L’amplification des turbulences s'est avérée exponentielle et les profils d’agitation observés très proches de ceux obtenus avec le modèle fondé sur la convection, avec la présence, dans la parcelle simulée, de tourbillons parallèles à l’axe de rotation. Thomas Le Reun et ses collègues se sont ensuite concentrés sur ces tourbillons. « Comme ils sont parallèles à l’axe de rotation, ces tourbillons rencontrent la frontière entre le noyau liquide et le manteau et nous n’avions pas tenu compte des effets de bords », note Thomas Le Reun. Pour modéliser ces effets de bords, les chercheurs ont donc ajouté un terme de friction visqueuse dans leur simulation.

Les résultats ont alors divergé avec ceux obtenus avec les modèles par convection. Dans les précédents modèles, même avec de la friction, les tourbillons étaient toujours présents. A l’inverse, ici, les tourbillons ont complètement disparu laissant place à une superposition d’ondes qui échangent entre elles de l’énergie en permanence. On parle de « turbulence d’ondes ».

Deux mécanismes pour l’effet dynamo

Les deux modèles, avec convection ou forces de marées, ne donnent pas le même type de turbulences, mais tout deux produisent une agitation du noyau, prouvant que même dans les petites planètes, non-sujettes à la convection, il est possible de maintenir un écoulement turbulent. L'équipe de Thomas Le Reun tente maintenant de prouver que cet écoulement peut soutenir un effet dynamo.  

Si tel est le cas, ce résultat permettra notamment d’expliquer une découverte sur le champ magnétique lunaire faite par Sonia Tikoo et son équipe et publiée dans Science Advances. Le champ magnétique de notre satellite aurait en effet existé au moins pendant deux milliards d’années, une durée bien plus longue qu’on ne le pensait. Cette longévité impliquerait donc la participation de deux mécanismes à l'effet dynamo : la convection, au départ, lorsque le cœur de la Lune était encore chaud, puis les forces de marée, qui ont contribué à entretenir le champ.

Source : Pour la Science
Crédit : Thomas Le Reun / IRPHE

Les turbulences d'ondes tridimensionnelles dans la parcelle de noyau liquide simulée par Thomas Le Reun et ses collègues.