Comment les géophysiciens ont construit un modèle à l'échelle du noyau terrestre à partir d'acide sulfurique

L'une des grandes énigmes de la géophysique est de savoir comment la Terre génère et maintient son champ magnétique. L'idée générale est que lorsque le matériau conducteur dans le noyau externe de la Terre se déplace en raison de la convection, il génère des courants électriques, et ceux-ci créent un champ magnétique.

Mais ce champ est également influencé par la rotation de la Terre, et cela influence les courants de convection des matériaux électriquement conducteurs dans le noyau. Le résultat est un puissant processus de rétroaction qui conduit à un comportement extrêmement complexe.

Pour mieux comprendre ces processus, les physiciens ont construit des modèles physiques de plus en plus complexes du noyau terrestre pour explorer cette question. La plupart des expériences simulent le noyau conducteur en utilisant des métaux liquides tournant dans un plan dans un champ magnétique externe.

Mais ces expériences ont une limite importante. Le métal liquide est opaque, il n'est donc pas possible de voir comment les courants de convection évoluent à l'intérieur, en particulier lorsque le mouvement est généralement dans un plan. Les simulations informatiques ne sont pas non plus d'une grande aide - la physique est si complexe et les effets de rétroaction si forts que même les meilleures simulations ne peuvent pas résoudre l'équation résultante au niveau de détail requis.

Le résultat est que ni les modèles physiques ni les simulations informatiques n'ont été en mesure de reproduire le comportement observé du champ terrestre.

Ce qu'il faut, c'est un modèle différent qui puisse mieux saisir les processus complexes en jeu, et de préférence un modèle qui puisse révéler la façon dont les courants de convection apparaissent et évoluent.

Aujourd'hui, Kelig Aujogue de l'Université de Coventry au Royaume-Uni et quelques amis dévoilent un modèle expérimental basé sur un hémisphère en rotation rempli d'un électrolyte transparent qui fait cela. Et ils disent que leur modèle révèle pour la première fois comment le champ magnétique modifie radicalement la structure des panaches convectifs à l'intérieur de la Terre.

Tout d'abord, quelques informations sur les forces à l'œuvre dans le noyau terrestre. Les principaux phénomènes sont : la flottabilité, qui entraîne le mouvement des fluides ; la force de Coriolis de la rotation de la Terre ; et la force magnétique qui résulte de l'interaction entre les courants électriques induits et les champs magnétiques.

Les géophysiciens caractérisent la façon dont ces forces interagissent à l'aide d'une quantité connue sous le nom de nombre d'Ekman - le rapport des forces visqueuses dans un fluide aux forces résultant de la rotation planétaire. Lorsque le nombre d'Ekman est petit, les perturbations dans le fluide peuvent se propager, mais ce processus de propagation est extrêmement complexe.

Le nombre d'Ekman dans le noyau de la Terre est minuscule, autour de 10-15. Les meilleurs modèles informatiques peuvent simuler des nombres d'Ekman dans la région de 10-5, mais même ces résultats n'ont jamais été calibrés par rapport aux résultats expérimentaux utilisant des métaux liquides car le flux ne peut pas être vu dans ces configurations.

Entrez Aujogue et compagnie. Leur appareil est constitué d'un dôme de verre hémisphérique rempli d'acide sulfurique, chauffé en son centre par un élément chauffant cylindrique et refroidi à l'extérieur.

Alors que l'acide sulfurique est un conducteur raisonnable, il est environ quatre ordres de grandeur moins bon que les métaux liquides. L'équipe compense en plaçant l'ensemble de l'appareil dans un champ magnétique extrêmement puissant pouvant atteindre 10 Tesla, ce qui est 100 fois plus élevé que ce qui est possible avec des électroaimants conventionnels.

Il n'y a qu'un seul endroit sur la planète capable de produire des champs magnétiques de cette force, le Laboratoire des champs magnétiques élevés de Grenoble en France, où l'équipe a installé son équipement.

L'ensemble de la configuration doit être tourné à l'intérieur de ce champ. Cela signifie que tous les composants doivent être fabriqués à partir de matériaux non magnétiques pour éviter les courants induits que cela créerait.

La manipulation de l'acide sulfurique n'est pas non plus une promenade de santé. Les composants doivent être chimiquement résistants et l'expérience soigneusement conçue pour assurer la sécurité des scientifiques impliqués. L'appareil doit également être conçu de manière à ce que les données des expériences puissent être facilement collectées.

Pour visualiser le flux à l'intérieur du cœur, l'équipe utilise une technique appelée vélocimétrie par images de particules. Cela implique de tirer un laser dans le fluide et d'enregistrer comment il se reflète sur les petites particules ou bulles qu'il contient. En suivant leur mouvement, il est possible de construire une image 3D détaillée du flux.

Il s'agit d'un ensemble difficile de contraintes. Néanmoins, le résultat est impressionnant. Pour la première fois, les forces [de principe] peuvent être produites et contrôlées avec précision dans un flux qui peut également être entièrement cartographié au moyen de techniques de visualisation optique, disent Aujogue et co.

Et les résultats sont quelque peu surprenants. Le champ magnétique a un effet spectaculaire sur la structure des panaches convectifs, explique l'équipe.

Cela ne s'applique pas seulement à la Terre, mais à toute planète ou lune avec un champ magnétique et un noyau liquide, comme Mercure ou Ganymède.

Et il y a beaucoup de place pour les travaux futurs. L'équipe affirme qu'il est possible de faire varier facilement la taille du noyau et la différence de température qu'il crée afin que différents régimes puissent être étudiés.

Bien sûr, il reste encore du travail à faire pour voir dans quelle mesure ces résultats reflètent ce qui se passe à l'intérieur de la Terre. Mais il s'agit d'une étape fascinante vers des modèles encore meilleurs qui décrivent pleinement l'étrange champ magnétique de la Terre.

Réf : arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment : un instrument pour modéliser les noyaux planétaires

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