Publication venue 'Wiley'
Publication date 04/03/2005
Field of study Get PDF A magneto-hydrodynamic model of boundary layers at the Core-Mantle Boundary
(CMB) is derived and used to compute the viscous and electromagnetic torques
generated by the Earth's nutation forcing. The predicted electromagnetic torque
alone cannot account for the dissipation estimated from the observations of the
free core nutation. The presence of a viscous boundary layer in the
electromagnetic skin layer at the CMB, with its additional dissipative torques,
may explain the geodetic data. An apparent Ekman number at the top of the core
between 3 and 51 0 â 11 5 10^{-11} 51 0 â 11 is inferred depending on the electrical conductivity
of the mantle
Publication venue HAL CCSD
Publication date 03/10/2005
Field of study Get PDF Stage de 6 mois Ă Oxford.We present an experimental method to estimate the eddy viscosity in rotating bounding fluids. By measures of the azimuthal component of the velocity during spin-up/spin-down experiments, we retrieve the viscosity (using the linear theory of Greenspan). Differences between laminar and turbulent regimes give an estimate of the momentum transport between fluid and boundaries operated by eddies.Works have been done on four experiments in order to evaluate the impact of the geometry and the contribution of turbulent mechanisms. Both interact in the change of eddy viscosity. In experiments of thermal convection in spherical shell, the increase of eddy viscosity is explained by a scaling law in R a R a c E 1 / 3 \frac{Ra}{Ra_c}E^{1/3} R a c â R a â E 1/3 . For the remainder experiments, the change in viscosity is not uniform in the volume and no global quantities can modelize this effect. This change may be explained by the turbulent mechanism (experiment of differential rotation) or by instabilities that develop during convective spin-up (experiment of convection in cylindrical geometry).Theoretical work has also been done. Differential rotation between core and mantle induce torques and we derive the visco-magnetic torque at the CMB for spin over motions. We estimate the influence of eddy viscosity, electrical conductivity of the mantle, geometry and intensity of the magnetic field on the visco-magnetic torque. The value of the coupling constant given by nutation models shows that apparent viscosity 1 0 â 2 10^{-2} 1 0 â 2 m^{2}.s^{-1}( ( ( 10^{4}b i g g e r t h a t t h e l i q u i d i r o n m o l e c u l a r v i s c o s i t y ) i s n e e d e d t o e x p l a i n n u t a t i o n âČ s d a t a . N o u s d e Ë v e l o p p o n s u n e m e Ë t h o d e p o u r m e s u r e r l a v i s c o s i t e Ë a p p a r e n t e d a n s l e s f l u i d e s e n r o t a t i o n r a p i d e . C e l l e â c i c o n s i s t e a Ë m e s u r e r l a v i t e s s e a z i m u t a l e d u f l u i d e p e n d a n t l e r e Ë g i m e t r a n s i t o i r e d e s y n c h r o n i s a t i o n q u i a p p a r a ı ^ t l o r s d e s e x p e Ë r i e n c e s d e s p i n â u p / s p i n â d o w n ( a u g m e n t a t i o n o u d i m i n u t i o n d e l a v i t e s s e d e r o t a t i o n d u r e Ë c i p i e n t ) . L e s d i f f e Ë r e n c e s o b s e r v e Ë e s e n t r e l e s r e Ë g i m e s l a m i n a i r e s e t l e s r e Ë g i m e s t u r b u l e n t s d o n n e n t u n e i n f o r m a t i o n s u r l a c o n t r i b u t i o n d e l a t u r b u l e n c e d a n s l e t r a n s p o r t d e q u a n t i t e Ë d e m o u v e m e n t e n t r e l e f l u i d e e t l a p a r o i . Q u a t r e d i s p o s i t i f s e x p e Ë r i m e n t a u x o n t e Ë t e Ë u t i l i s e Ë s a f i n d âČ e Ë v a l u e r l âČ i m p a c t d e l a g e Ë o m e Ë t r i e d u r e Ë c i p i e n t e t d e s m e Ë c a n i s m e s d e f o r c \c a g e d e l a t u r b u l e n c e s u r c e s m e s u r e s d e v i s c o s i t e Ë a p p a r e n t e . L âČ e Ë t u d e m o n t r e q u e t o u s d e u x c o n t r i b u e n t f o r t e m e n t a Ë l a m o d i f i c a t i o n d e v i s c o s i t e Ë a p p a r e n t e o b s e r v e Ë e . D a n s l e c a s d âČ e x p e Ë r i e n c e s d e c o n v e c t i o n t h e r m i q u e e n g e Ë o m e Ë t r i e s p h e Ë r i q u e , a f i n d âČ e x p l i q u e r l âČ a u g m e n t a t i o n u n i f o r m e d e l a v i s c o s i t e Ë a p p a r e n t e , u n e l o i d âČ e Ë c h e l l e f a i s a n t i n t e r v e n i r l âČ e Ë c a r t a u s e u i l e t l e n o m b r e d âČ E k m a n e s t p r o p o s e Ë e . E n c e q u i c o n c e r n e l e s a u t r e s e x p e Ë r i e n c e s ( C o n v e c t i o n t h e r m i q u e s p h e Ë r i q u e e n g a l l i u m , c o u e t t e s p h e r i q u e , c o n v e c t i o n t h e r m i q u e e n g e Ë o m e Ë t r i e c y l i n d r i q u e ) , l a m o d i f i c a t i o n d e v i s c o s i t e Ë n âČ e s t p a s u n i f o r m e d a n s l e v o l u m e e t n e p e u t e ^ t r e r e l i e Ë e a Ë d e s g r a n d e u r s g l o b a l e s . D a n s c e d e u x i e Ë m e c a s , l âČ o r i g i n e d e l a m o d i f i c a t i o n v i e n t d u m e Ë c a n i s m e d e f o r c \c a g e o u d u d e Ë v e l o p p e m e n t d âČ i n s t a b i l i t e Ë s a s s o c i e Ë e s a u m o u v e m e n t d e s p i n â u p e n r e Ë g i m e t u r b u l e n t . A u d e l a d e c e t t e e t u d e e x p e r i m e n t a l e , n o u s a v o n s c a l c u l e Ë l e c o u p l a g e v i s c o â m a g n e Ë t i q u e a Ë l âČ i n t e r f a c e n o y a u l i q u i d e â m a n t e a u s o l i d e d âČ u n e T e r r e e n n u t a t i o n . N o u s a v o n s f a i t v a r i e r d a n s c e c a l c u l l a v i s c o s i t e Ë a p p a r e n t e d u f l u i d e e t l a c o n d u c t i v i t e Ë e Ë l e c t r i q u e d u m a n t e a u a f i n d âČ a n a l y s e r l e s c o n t r i b u t i o n s d e s c o u p l e s m a g n e Ë t i q u e s e t v i s q u e u x a u c o u p l a g e d e l âČ i n t e r f a c e . D i f f e Ë r e n t e s m o d e Ë l i s a t i o n s d u c h a m p m a g n e Ë t i q u e t e r r e s t r e s o n t e n v i s a g e Ë e s a f i n d âČ e s t i m e r l a c o n t r i b u t i o n d e s p e t i t e s e Ë c h e l l e s d u c h a m p a Ë c e s c o u p l a g e s . L a c o n f r o n t a t i o n d e c e c a l c u l a u x v a l e u r s d e s c o n s t a n t e s d e c o u p l a g e d e s m o d e Ë l e s d e n u t a t i o n s p e r m e t d âČ o b t e n i r u n e e s t i m a t i o n d e l a v i s c o s i t e Ë e f f i c a c e n e Ë c e s s a i r e d a n s l e n o y a u . U n e v i s c o s i t e Ë e f f i c a c e d e bigger that the liquid iron molecular viscosity) is needed to explain nutation's data.Nous dĂ©veloppons une mĂ©thode pour mesurer la viscositĂ© apparente dans les fluides en rotation rapide. Celle-ci consiste Ă mesurer la vitesse azimutale du fluide pendant le rĂ©gime transitoire de synchronisation qui apparaĂźt lors des expĂ©riences de spin-up/spin-down (augmentation ou diminution de la vitesse de rotation du rĂ©cipient). Les diffĂ©rences observĂ©es entre les rĂ©gimes laminaires et les rĂ©gimes turbulents donnent une information sur la contribution de la turbulence dans le transport de quantitĂ© de mouvement entre le fluide et la paroi.Quatre dispositifs expĂ©rimentaux ont Ă©tĂ© utilisĂ©s afin d'Ă©valuer l'impact de la gĂ©omĂ©trie du rĂ©cipient et des mĂ©canismes de forçage de la turbulence sur ces mesures de viscositĂ© apparente. L'Ă©tude montre que tous deux contribuent fortement Ă la modification de viscositĂ© apparente observĂ©e. Dans le cas d'expĂ©riences de convection thermique en gĂ©omĂ©trie sphĂ©rique, afin d'expliquer l'augmentation uniforme de la viscositĂ© apparente, une loi d'Ă©chelle faisant intervenir l'Ă©cart au seuil et le nombre d'Ekman est proposĂ©e. En ce qui concerne les autres expĂ©riences ( Convection thermique sphĂ©rique en gallium, couette spherique, convection thermique en gĂ©omĂ©trie cylindrique), la modification de viscositĂ© n'est pas uniforme dans le volume et ne peut ĂȘtre reliĂ©e Ă des grandeurs globales. Dans ce deuxiĂšme cas, l'origine de la modification vient du mĂ©canisme de forçage ou du dĂ©veloppement d'instabilitĂ©s associĂ©es au mouvement de spin-up en rĂ©gime turbulent.Au dela de cette etude experimentale, nous avons calculĂ© le couplage visco-magnĂ©tique Ă l'interface noyau liquide - manteau solide d'une Terre en nutation. Nous avons fait varier dans ce calcul la viscositĂ© apparente du fluide et la conductivitĂ© Ă©lectrique du manteau afin d'analyser les contributions des couples magnĂ©tiques et visqueux au couplage de l'interface. DiffĂ©rentes modĂ©lisations du champ magnĂ©tique terrestre sont envisagĂ©es afin d'estimer la contribution des petites Ă©chelles du champ Ă ces couplages.La confrontation de ce calcul aux valeurs des constantes de couplage des modĂšles de nutations permet d'obtenir une estimation de la viscositĂ© efficace nĂ©cessaire dans le noyau. Une viscositĂ© efficace de bi gg er t ha tt h e l i q u i d i ro nm o l ec u l a r v i scos i t y ) i s n ee d e d t oe x pl ainn u t a t i o n âČ s d a t a . N o u s d e Ë v e l o pp o n s u n e m e Ë t h o d e p o u r m es u rer l a v i scos i t e Ë a pp a re n t e d an s l es f l u i d ese n ro t a t i o n r a p i d e . C e ll e â c i co n s i s t e a Ë m es u rer l a v i t esse a z im u t a l e d u f l u i d e p e n d an tl er e Ë g im e t r an s i t o i re d esy n c h ro ni s a t i o n q u ia pp a r a ı ^ tl ors d ese x p e Ë r i e n ces d es p in â u p / s p in â d o w n ( a ug m e n t a t i o n o u d imin u t i o n d e l a v i t esse d ero t a t i o n d u r e Ë c i p i e n t ) . L es d i ff e Ë re n ceso b ser v e Ë ese n t re l esr e Ë g im es l aminai rese tl esr e Ë g im es t u r b u l e n t s d o nn e n t u n e in f or ma t i o n s u r l a co n t r ib u t i o n d e l a t u r b u l e n ce d an s l e t r an s p or t d e q u an t i t e Ë d e m o uv e m e n t e n t re l e f l u i d ee tl a p a ro i . Q u a t re d i s p os i t i f se x p e Ë r im e n t a ux o n t e Ë t e Ë u t i l i s e Ë s a f in d âČ e Ë v a l u er l âČ im p a c t d e l a g e Ë o m e Ë t r i e d u r e Ë c i p i e n t e t d es m e Ë c ani s m es d e f or c \c â a g e d e l a t u r b u l e n ces u rces m es u res d e v i scos i t e Ë a pp a re n t e . L âČ e Ë t u d e m o n t re q u e t o u s d e ux co n t r ib u e n t f or t e m e n t a Ë l am o d i f i c a t i o n d e v i scos i t e Ë a pp a re n t eo b ser v e Ë e . D an s l ec a s d âČ e x p e Ë r i e n ces d eco n v ec t i o n t h er mi q u ee n g e Ë o m e Ë t r i es p h e Ë r i q u e , a f in d âČ e x pl i q u er l âČ a ug m e n t a t i o n u ni f or m e d e l a v i scos i t e Ë a pp a re n t e , u n e l o i d âČ e Ë c h e ll e f ai s an t in t er v e ni r l âČ e Ë c a r t a u se u i l e tl e n o mb re d âČ E kman es tp ro p os e Ë e . E n ce q u i co n cer n e l es a u t rese x p e Ë r i e n ces ( C o n v ec t i o n t h er mi q u es p h e Ë r i q u ee n g a ll i u m , co u e tt es p h er i q u e , co n v ec t i o n t h er mi q u ee n g e Ë o m e Ë t r i ecy l in d r i q u e ) , l am o d i f i c a t i o n d e v i scos i t e Ë n âČ es tp a s u ni f or m e d an s l e v o l u m ee t n e p e u t e ^ t rere l i e Ë e a Ë d es g r an d e u rs g l o ba l es . D an sce d e ux i e Ë m ec a s , l âČ or i g in e d e l am o d i f i c a t i o n v i e n t d u m e Ë c ani s m e d e f or c \c â a g eo u d u d e Ë v e l o pp e m e n t d âČ in s t abi l i t e Ë s a ssoc i e Ë es a u m o uv e m e n t d es p in â u p e n r e Ë g im e t u r b u l e n t . A u d e l a d ece tt ee t u d ee x p er im e n t a l e , n o u s a v o n sc a l c u l e Ë l eco u pl a g e v i sco â ma g n e Ë t i q u e a Ë l âČ in t er f a ce n oy a u l i q u i d e â man t e a u so l i d e d âČ u n e T erree nn u t a t i o n . N o u s a v o n s f ai t v a r i er d an scec a l c u ll a v i scos i t e Ë a pp a re n t e d u f l u i d ee tl a co n d u c t i v i t e Ë e Ë l ec t r i q u e d u man t e a u a f in d âČ ana l yser l esco n t r ib u t i o n s d esco u pl es ma g n e Ë t i q u ese t v i s q u e ux a u co u pl a g e d e l âČ in t er f a ce . D i ff e Ë re n t es m o d e Ë l i s a t i o n s d u c ham p ma g n e Ë t i q u e t erres t reso n t e n v i s a g e Ë es a f in d âČ es t im er l a co n t r ib u t i o n d es p e t i t es e Ë c h e ll es d u c ham p a Ë cesco u pl a g es . L a co n f ro n t a t i o n d ecec a l c u l a uxv a l e u rs d esco n s t an t es d eco u pl a g e d es m o d e Ë l es d e n u t a t i o n s p er m e t d âČ o b t e ni r u n ees t ima t i o n d e l a v i scos i t e Ë e ff i c a ce n e Ë cess ai re d an s l e n oy a u . U n e v i scos i t e Ë e ff i c a ce d e 10^{-2} m^{2}.s^{-1}$ dans le noyau terrestre est nĂ©cessaire pour expliquer les donnĂ©es de nutations
Publication venue
Publication date 01/01/2005
Field of study No full text Nous dĂ©veloppons une mĂ©thode pour mesurer la viscositĂ© apparente dans les fluides en rotation rapide. Celle-ci consiste Ă mesurer la vitesse azimutale du fluide pendant le rĂ©gime transitoire de synchronisation qui apparaĂźt lors des expĂ©riences de spin-up/spin-down (augmentation ou diminution de la vitesse de rotation du rĂ©cipient). Les diffĂ©rences observĂ©es entre les rĂ©gimes laminaires et les rĂ©gimes turbulents donnent une information sur la contribution de la turbulence dans le transport de quantitĂ© de mouvement entre le fluide et la paroi. Quatre dispositifs expĂ©rimentaux ont Ă©tĂ© utilisĂ©s afin d'Ă©valuer l'impact de la gĂ©omĂ©trie du rĂ©cipient et des mĂ©canismes de forçage de la turbulence sur ces mesures de viscositĂ© apparente. L'Ă©tude montre que tous deux contribuent fortement Ă la modification de viscositĂ© apparente observĂ©e. Dans le cas d'expĂ©riences de convection thermique en gĂ©omĂ©trie sphĂ©rique, afin d'expliquer l'augmentation uniforme de la viscositĂ© apparente, une loi d'Ă©chelle faisant intervenir l'Ă©cart au seuil et le nombre d'Ekman est proposĂ©e. En ce qui concerne les autres expĂ©riences ( Convection thermique sphĂ©rique en gallium, couette spherique, convection thermique en gĂ©omĂ©trie cylindrique), la modification de viscositĂ© n'est pas uniforme dans le volume et ne peut ĂȘtre reliĂ©e Ă des grandeurs globales. Dans ce deuxiĂšme cas, l'origine de la modification vient du mĂ©canisme de forçage ou du dĂ©veloppement d'instabilitĂ©s associĂ©es au mouvement de spin-up en rĂ©gime turbulent. Au dela de cette etude experimentale, nous avons calculĂ© le couplage visco-magnĂ©tique Ă l'interface noyau liquide - manteau solide d'une Terre en nutation. Nous avons fait varier dans ce calcul la viscositĂ© apparente du fluide et la conductivitĂ© Ă©lectrique du manteau afin d'analyser les contributions des couples magnĂ©tiques et visqueux au couplage de l'interface. DiffĂ©rentes modĂ©lisations du champ magnĂ©tique terrestre sont envisagĂ©es afin d'estimer la contribution des petites Ă©chelles du champ Ă ces couplages. La confrontation de ce calcul aux valeurs des constantes de couplage des modĂšles de nutations permet d'obtenir une estimation de la viscositĂ© efficace nĂ©cessaire dans le noyau. Une viscositĂ© efficace de 10-2m2.s-1dans le noyau terrestre est nĂ©cessaire pour expliquer les donnĂ©es de nutations.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF