Dynamic regimes in planetary cores: τ-ℓ diagrams - Institut des sciences de la Terre ( Grenoble) Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Comptes Rendus. Géoscience Année : 2024

Dynamic regimes in planetary cores: τ-ℓ diagrams

Régimes dynamiques dans les noyaux planétaires : diagrammes τ-ℓ

Henri-Claude Nataf
Nathanaël Schaeffer

Résumé

Planetary cores are the seat of rich and complex fluid dynamics, in which the effects of rotation and magnetic field combine. The equilibria governing the strength of the magnetic field produced by the dynamo effect, the organisation and amplitude of the flow, and those of the density field, remain debated despite remarkable progress made in their numerical simulation. This paper proposes a new approach based on the explicit consideration of the variation of time scales τ with spatial scales ℓ for the different physical phenomena involved. The τ-ℓ diagrams thus constructed constitute a very complete graphic summary of the dynamics of the object under study. We highlight the role of the available convective power in controlling this dynamics, together with the relevant force balance, for which we derive a very telling τ–ℓ translation. Several scenarios are constructed and discussed for the Earth’s core, shedding new light on the width of convective columns, and on the force equilibria to be considered. A QG-MAC scenario adapted from Aubert [2019] gives a good account of the observations. A diversion to Venus reveals the subtlety and relativity of the notion of “fast rotator”. We discuss scaling laws and their validity domain, and illustrate “path strategies”. A complete toolbox is provided, allowing everyone to construct a τ–ℓ diagram of a numerical simulation, a laboratory experiment, a theory, or a natural object.
Les noyaux planétaires sont le siège d’une dynamique des fluides riche et complexe où se combinent les effets de la rotation et du champ magnétique. Les équilibres gouvernant l’intensité du champ magnétique produit par effet dynamo, l’organisation et l’amplitude de l’écoulement, et celles du champ de densité, demeurent débattus, malgré les progrès remarquables de leur simulation numérique. Cet article détaille une approche qui repose sur la prise en compte explicite de la variation des échelles de temps avec les échelles spatiales pour les différents phénomènes physiques impliqués. Les diagrammes – ainsi construits constituent un résumé graphique très complet de la dynamique de l’objet étudié. Nous soulignons le rôle que joue la puissance convective disponible dans l’établissement de cette dynamique, ainsi que l’équilibre des forces pour lequel nous dérivons une traduction – qui se révèle très parlante. Plusieurs scenarios sont ainsi construits et discutés pour le noyau terrestre, apportant un nouvel éclairage sur la largeur des colonnes convectives, et sur les équilibres de force à considérer. Un scenario QG-MAC adapté de [Aubert, 2019] rend bien compte des observations. Un détour par Vénus révèle la subtilité et la relativité de la notion de “rotateur rapide”. Nous discutons les lois d’échelle et leur domaine de validité, et illustrons le concept de “path strategy”. Une boîte à outils complète est fournie, permettant à chacun de construire le diagramme – d’une simulation numérique, d’une expérience de laboratoire, d’une théorie, ou d’un objet naturel.
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hal-04135499 , version 1 (03-07-2023)
hal-04135499 , version 2 (21-05-2024)

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Citer

Henri-Claude Nataf, Nathanaël Schaeffer. Dynamic regimes in planetary cores: τ-ℓ diagrams. Comptes Rendus. Géoscience, 2024, 356, pp.1-30. ⟨10.5802/crgeos.256⟩. ⟨hal-04135499v2⟩
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