Topographic couplings and waves in planetary cores - Observatoire des Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement de Grenoble Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Topographic couplings and waves in planetary cores

Couplages et ondes topographiques dans les noyaux planétaires

Rémy Monville
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1404609
  • IdRef : 278469507

Résumé

Beyond magnetic observations, the dynamics of planetary liquid cores can be probed by measuring the planetary rotation. For instance, the coupling between the liquid core and the Earth's mantle is constrained by measurements of the Earth's rotation.Energy dissipation related to nutations is constrained by measurements of the Earth's rotation, whereas time series of the axial torque can be derived from length of day observations.In both cases, the data do not agree well with our current models of core-mantle boundary couplings. To better interpret these observations, this work aims to develop a new coupling model.While mechanical couplings between fluid and solid domains have been widely studied, their estimation remains challenging for deep planetary fluid layers in the presence of topography, rotation, magnetic field, and density stratification. Results from atmospheric or oceanic sciences are unsuitable for thick layers, such as subsurface oceans of icy moons or liquid cores of planets. Considering a rotating and stratified fluid layer, we have developed a semi-analytical local box model to investigate small-scale topographic fluid-solid coupling due to pressure or magnetic stresses.Our code unlocks several limitations of previous planetary coupling studies. Considering three-dimensional bumps, it provides the various fluid stresses on an electrically conducting solid (e.g. the Earth's mantle lowermost layer). We explore a wide range of parameters and boundary conditions for arbitrary topography shapes and account for planetary curvature effects by considering a "non-traditional beta-plane" approximation suited for deep fluid layers. Carrying out a detailed study of the wave drag mechanism, we show that the Rossby waves, which are absent from recent asymptotic models, can significantly modify the boundary stress. We also show that the results are different if we consider three-dimensional topographies instead of ridges.More precise geophysical applications are also provided by taking into account spatial variations of the magnetic field and rotation vector in both direction and magnitude. This provides the global torque after integration on the core-mantle interface. Therefore, we better circumscribe the parameter space (topography height, magnetic field intensity, stratification) that enables reproducing the observations. Our method provides a unique framework to investigate the dissipation of the Earth's nutations and the variations of the length of the day.
En complément des observations magnétiques, la dynamique des noyaux liquides des planètes peut être explorée en mesurant leur rotation. Par exemple, à certaines échelles de temps, le couplage entre le noyau liquide et le manteau terrestre peut être estimé par ces mesures. La dissipation d'énergie associée aux nutations est contrainte par les mesures de rotation de la Terre, tandis que le couple sur l'axe de rotation est fourni par la mesure de la durée du jour. Dans les deux cas, les données ne concordent pas bien avec nos modèles actuels de couplages noyau-manteau. Pour interpréter ces observations, ce travail vise à développer un nouveau modèle de couplage fluide-solide.Bien que les couplages mécaniques entre les domaines fluides et solides aient été largement étudiés, leurs estimations restent difficiles pour les couches fluides planétaires de grande épaisseur en présence d'effets topographiques, magnétiques, de rotation, et de stratification en densité. Les résultats des études sur l'atmosphère et l'océan ne sont en effet pas directement transposables aux couches épaisses telles que les océans de subsurface des lunes glacées ou les noyaux liquides des planètes. En considérant une couche fluide en rotation et stratifiée, nous avons développé un modèle local semi-analytique pour étudier le couplage en pression provenant de la topographie de petite échelle et le couplage électromagnétique.Notre approche permet de lever plusieurs limites des modèles précédents de couplage. Elle permet d'obtenir les différentes contraintes exercées par le fluide sur une paroi en trois dimensions et conductrice (par exemple, le manteau inférieur). Ce modèle permet d'explorer une large gamme de paramètres et de conditions aux limites pour des topographies arbitraires. Nous prenons également en compte les effets de courbure planétaire en considérant une approximation de "plan-$eta$" non traditionnelle adaptée aux couches fluides de grande épaisseur. En menant une étude détaillée du mécanisme de traînée d'onde, nous montrons que les ondes de Rossby, absentes des modèles asymptotiques récents, peuvent modifier significativement la contrainte sur le solide. Un tel effet n'existe d'ailleurs que pour des topographies moins spécifiques qu'étudiées auparavant.Notre méthode prend en compte la variation spatiale de l'inclinaison et de la norme du champ magnétique et du vecteur rotation. Après intégration sur l'interface noyau-manteau, cela permet d'estimer plus précisément le couple topographique. Par conséquent, nous délimitons mieux l'espace de paramètres (hauteur de la topographie, intensité du champ magnétique, stratification) permettant de rendre compte des observations. Notre méthode fournit un cadre unique pour étudier à la fois les problèmes de la dissipation de la nutation annuelle ainsi que pour la variation de longueur du jour.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04661653 , version 1 (25-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04661653 , version 1

Citer

Rémy Monville. Topographic couplings and waves in planetary cores. Sciences of the Universe [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALU017⟩. ⟨tel-04661653⟩
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