Solid-liquid phase change in planetary cores - Archive ouverte HAL
Article Dans Une Revue Comptes Rendus. Physique Année : 2024

Solid-liquid phase change in planetary cores

Résumé

The ubiquitous phenomena of crystallization and melting occur in various geophysical contexts across many spatial and temporal scales. In particular, they take place in the iron core of terrestrial planets and moons, profoundly influencing their dynamics and magnetic field generation. Crystallization and melting entail intricate multiphase flows, buoyancy effects, and out-of-equilibrium thermodynamics, posing challenges for theoretical modeling and numerical simulations. Besides, due to the inaccessible nature of the planetary deep interior, our understanding relies on indirect data from seismology, mineral physics, geochemistry, and magnetism. Consequently, phase-change-driven flows in planetary cores constitute a compelling yet challenging area of research. This paper provides an overview of the role of laboratory fluid dynamics experiments in elucidating the solid-liquid phase change phenomena occurring thousands of kilometers beneath our feet and within other planetary depths, along with their dynamic repercussions. Drawing parallel with metallurgy, it navigates through all scales of phase change dynamics, from microscopic processes (nucleation and crystal growth) to macroscopic consequences (solid-liquid segregation and large-scale flows). The review delves into the two primary planetary solidification regimes, top-down and bottom-up, and elucidates the formation of mushy and/or slurry layers in the various relevant configurations. Additionally, it outlines remaining challenges, including insights from ongoing space missions poised to unveil the diverse planetary regimes.\end{abstract}
Les phénomènes de cristallisation et de fusion se produisent dans divers contextes géophysiques à diverses échelles spatiales et temporelles. Ils prennent notamment place dans le noyau en fer des planètes telluriques et des lunes, où ils jouent un rôle primordial dans leur dynamique et dans la génération de leur champ magnétique. La cristallisation et la fusion se caractérisent par des écoulements multiphasiques complexes, des effets de flottabilité et une thermodynamique hors équilibre, difficilement accessibles à la modélisation théorique et aux simulations numériques. De plus, les profondeurs planétaires demeurent inaccessibles aux observations directes, et notre compréhension repose sur des données indirectes provenant de la sismologie, de la physique minérale, de la géochimie et du magnétisme. Par conséquent, les écoulements induits par un changement de phase dans les noyaux planétaires constituent un domaine de recherche à la fois passionnant et stimulant. Cet article donne un aperçu du rôle qu'ont les expériences de laboratoire en dynamique des fluides pour élucider des phénomènes de changement de phase solide-liquide se produisant à des milliers de kilomètres sous nos pieds ou dans d'autres planètes, ainsi que de leurs conséquences dynamiques. En établissant des parallèles avec la métallurgie, cet article navigue à travers toutes les échelles de la dynamique du changement de phase, des processus microscopiques (nucléation et cristallisation) à leurs conséquences macroscopiques (ségrégation solide-liquide et écoulements de grande-échelle). Nous décrivons en détail les deux principaux régimes de solidification planétaire, descendant et ascendant, ainsi que la formation de couches de solides interconnectées (``mush'') ou dispersées (``slurry'') dans les diverses configurations pertinentes. Enfin, cette revue décrit les défis restants, notamment dans le cadre de missions spatiales en cours qui dévoileront sans aucun doute la diversité des régimes planétaires.
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Dates et versions

hal-04739311 , version 1 (16-10-2024)

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  • HAL Id : hal-04739311 , version 1

Citer

Ludovic Huguet, Quentin Kriaa, Thierry Alboussière, Michael Le Bars. Solid-liquid phase change in planetary cores. Comptes Rendus. Physique, In press. ⟨hal-04739311⟩
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