Dynamic regimes in planetary cores: τ-ℓ diagrams - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Pré-Publication, Document De Travail Année : 2023

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. They reveal the domains of validity of the different possible dynamic regimes. Several scenarios are thus 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'. 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. Supplementary material for this article is supplied as a separate archive Nataf_Schaeffer_SupMat.zip, the related data is displayed in document Nataf_Schaeffer_SupMat.pdf.
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 propose une nouvelle approche qui repose sur la prise en compte explicite de la variation des échelles de temps τ avec les échelles spatiales ℓ pour les différents phénomènes physiques impliqués. Les diagrammes τ-ℓ ainsi construits constituent un résumé graphique très complet de la dynamique de l’objet étudié. Ils révèlent les domaines de validité des différents régimes dynamiques possibles. 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’. Une boîte à outils complète est fournie, permettant à chacun de construire le diagramme τ-ℓ d’une simulation numérique, d’une expérience de laboratoire, d’une théorie, ou d’un objet naturel.
Fichier principal
Vignette du fichier
Nataf_Schaeffer_article.pdf (1.04 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Licence : CC BY NC ND - Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Dates et versions

hal-04135499 , version 1 (03-07-2023)

Licence

Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

  • HAL Id : hal-04135499 , version 1

Citer

Henri-Claude Nataf, Nathanaël Schaeffer. Dynamic regimes in planetary cores: τ-ℓ diagrams. 2023. ⟨hal-04135499⟩
89 Consultations
30 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More