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JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5)
Edition 2013


LIPSTIC


Libration, précession, déformations de marées : sur l’importance des forçages mécaniques dans l’organisation des écoulements planétaires et stellaires

Libration, précession, déformations de marées: sur l’importance des forçages mécaniques dans l’organisation des écoulements planétaires et stellaires
Il est souvent admis que les mouvements convectifs sont responsables des écoulements dans les enveloppes fluides des planètes, et en particulier des dynamos. Cependant, des mécanismes alternatifs liés aux perturbations des mouvements de rotation des planètes peuvent également entrer en jeu. Notre but est donc d'étudier l'importance de trois effets présents à l'échelle planétaire, mais encore largement méconnus : les forçages de libration, de précession, et les distorsions de marée.

Vers une description alternative des écoulements et dynamos planétaires
Les écoulements dans les couches fluides des planètes, des lunes et des étoiles, sont d'un intérêt primordial pour leur dynamique interne et leur évolution temporelle. En effet, ces écoulements dissipent de l'énergie et génèrent des couples, qui influencent la dynamique orbitale des corps considérés. Les écoulements sont aussi responsables de la génération des champs magnétiques. Enfin, les flux de chaleur stellaires et planétaires sont directement liés aux écoulements dans les couches fluides. Une compréhension globale de l'organisation des mouvements fluides à l'intérieur des planètes et des étoiles est donc indispensable.
Le but du présent projet est d'aller au-delà de l'état des connaissances actuelles et de réévaluer les modèles classiques de dynamique interne se basant uniquement sur les mouvements convectifs. Notre travail prend place dans un contexte international d'activité scientifique intense, découlant des derniers résultats des missions spatiales qui mettent en évidence la nécessité d'aller au-delà des modèles standards pour comprendre la variété des configurations planétaires et stellaires.
Nous visons à quantifier systématiquement le rôle de trois processus génériquement présents aux échelles planétaires, mais souvent négligés d'un point de vue dynamique: la précession, les distorsions des marées et la libration. En effet, une énorme quantité d'énergie est stockée dans la rotation des corps stellaires: ces forçages mécaniques pourraient jouer le rôle de transporteurs efficaces, qui extraient cette énergie et génèrent des mouvements fluides intenses. Ces effets ont longtemps été négligés, principalement en raison d'un malentendu: les critiques se sont en effet focalisées sur la non-pertinence de la réponse laminaire aux forçages mécaniques, plutôt que de considérer le cas pleinement turbulent. Notre but est donc de décrire les caractéristiques génériques des écoulements turbulents associés, en combinant des approches expérimentales et numériques.

Une approche interdisciplinaire et multi-méthodes
Notre projet est basé sur une approche interdisciplinaire et multi-méthodes, avec un accent particulier sur les expériences de laboratoire, ce qui le rend particulièrement original. Il s'appuie principalement sur les compétences de l'équipe «Ecoulements tournants et géophysiques« de l'IRPHE, spécialisée dans l'hydrodynamique et la magnétohydrodynamique des fluides en rotation. La force de notre groupe repose sur son expertise en mécanique des fluides fondamentale, combinant approches théoriques, expérimentales et numériques. Nous sommes aussi reconnus pour notre expertise dans l'élaboration de lois d'échelle génériques à partir de modèles de laboratoire simplifiés, et dans l'application de ces lois aux planètes et étoiles. Ces compétences sont complétées de manière appropriée par des collaborations avec des planétologues et astrophysiciens de renommée internationale. Dans un environnement international fortement concurrentiel, cette collaboration interdisciplinaire est une occasion unique pour ouvrir de nouveaux horizons et faire des avancées significatives dans notre connaissance et notre compréhension de la dynamique des étoiles et des planètes, qui remettent en cause les modèles standards.

Résultats

Nos travaux expérimentaux et numériques, à la frontière de la mécanique des fluides et de la planétologie, ont donné lieu pour l'instant à 2 résultats marquants :
1- la description d'une nouvelle route vers la turbulence dans les noyaux planétaires impliquant un mécanisme original d'excitation de l'écoulement par les marées planétaires (Sauret et al. 2014).
2- la description détaillée, expérimentale et numérique, des mécanismes d'instabilité générée par libration dans les noyaux planétaires, ainsi que les premières pistes de réflexion sur les caractéristiques génériques de la turbulence associée (Grannan et al. 2014, Favier et al. 2015).

Perspectives

L'application de ces résultats novateurs aux cas spécifiques de la Terre et de la Lune sont aujourd'hui en cours d'étude. Par ailleurs, notre travail expérimental va se poursuivre par une étude approfondie des écoulements de précession en géométrie sphéroïdale, tandis que notre travail numérique va se focaliser sur la description de régimes toujours plus extrêmes de la turbulence et sur les aspects magnétohydrodynamique des écoulements forcés par libration.

Productions scientifiques et brevets

1. Experimental study of global-scale turbulence in a librating ellipsoid, AM Grannan, M Le Bars, D Cébron, JM Aurnou, Physics of Fluids 26 (12), 126601, 2014 (http://spinlab.ess.ucla.edu/wp-content/uploads/2015/01/Grannan2014.pdf)

2. Tide-driven shear instability in planetary liquid cores, A Sauret, M Le Bars, P Le Gal, Geophysical Research Letters 41 (17), 6078-6083, 2014 (http://www.svi.cnrs-bellevue.fr/spip/asauret/pdf/article/GRL_2014.pdf)

3. Generation and maintenance of bulk turbulence by libration-driven elliptical instability, B Favier, AM Grannan, M Le Bars, JM Aurnou, Physics of Fluids 27 (6), 066601, 2015 (http://scitation.aip.org/content/aip/journal/pof2/27/6/10.1063/1.4922085)

4. Wave field and zonal flow of a librating disk, S Le Dizès, Journal of Fluid Mechanics, in press, 2015

Partenaires

CNRS DR12 _ IRPHE Centre National de la Recherche Sientifique Délégation Provence et Corse _Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE)

Aide de l'ANR 172 640 euros
Début et durée du projet scientifique mars 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

Il est souvent admis que les mouvements convectifs sont responsables de la plupart des écoulements dans les couches fluides des planètes et des étoiles, et en particulier que les mouvements convectifs sont responsables des dynamos planétaires, comme c'est le cas sur Terre aujourd'hui. Toutefois, la validité du modèle de dynamo convective peut être remise en cause sur certaines planètes, par exemple sur Ganymède, Mercure... Par ailleurs, même dans les planètes où la dynamo est d'origine convective, des mécanismes supplémentaires peuvent modifier sensiblement l'organisation des mouvements fluides dans leur noyau. Le but de ce projet est donc d'évaluer l'importance de trois forçages mécaniques présents à l'échelle planétaire, mais encore largement méconnus du point de vue de la mécanique des fluides : la libration, la précession, et les déformations de marée. Au-delà des noyaux planétaires, nous cherchons à quantifier systématiquement leur influence sur les écoulements à grande échelle et leurs conséquences dans toutes les couches fluides des corps astrophysiques, comme les atmosphères des géantes gazeuses, les océans de subsurface des satellites de glace et les zones convectives / radiatives des étoiles dans les systèmes extrasolaires.

Ce projet est par essence interdisciplinaire, à la frontière entre la mécanique des fluides, la planétologie et l'astrophysique. En combinant les approches théoriques, numériques et expérimentales, nous allons d'abord étudier à l'IRPHE la stabilité et l'organisation de mouvements fluides générés par ces mécanismes alternatifs dans des configurations simplifiées. Puis, en s'appuyant sur des collaborations avec des spécialistes renommés en planétologie et en astrophysique, nous allons appliquer nos résultats généraux aux systèmes naturels, en tenant compte de leurs spécificités et complexités. Nous confronterons enfin nos conclusions aux données disponibles provenant des dernières missions spatiales et campagnes d'observations et de mesures. Dans un environnement international fortement concurrentiel, cette collaboration interdisciplinaire est une occasion unique d'ouvrir de nouveaux horizons en mécanique des fluides fondamentale ainsi que dans la compréhension des dynamiques internes et évolutions orbitales des planètes et des étoiles.

 

Programme ANR : JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5) 2013

Référence projet : ANR-13-JS05-0004

Coordinateur du projet :
Monsieur Michael LE BARS (Centre National de la Recherche Sientifique Délégation Provence et Corse _Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE))

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.