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Flows driven in planetary liquid cores by the nutations of their solid inner core.

English title Flows driven in planetary liquid cores by the nutations of their solid inner core.
Applicant Noir Jérõme André Roland
Number 185088
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2022
Approved amount 216'778.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geophysics
Astronomy, Astrophysics and Space Sciences
Other disciplines of Earth Sciences

Keywords (6)

Nutation; Core flows; Dynamo; Inner Core; core-mantle coupling; energy dissipation

Lay Summary (French)

Lead
La connaissance de la structure interne des planètes est un élément clé dans la compréhension de leur formation et de leur évolution. Les observations in-situ sont rares et nous devons trouver d'autres moyens d'investigation soit avec des satellites soit en observant ces planètes depuis la Terre. L'existence de couches fluides, comme les océans de subsurfaces ou les noyaux liquides influencent fortement la rotation de la planète, une information accessible, comme c'est le cas pour la lune ou bientôt pour Mars. Pour déduire des informations sur la structure interne à partir de ces observations, il est nécessaire de bien modéliser les mouvements du fluide et les conséquences que ces derniers peuvent avoir sur rotation de la planète.
Lay summary
Dans cette étude nous allons modéliser les mouvements dans une couche liquide d'une planète lorsque cette dernière subit ce que l'on appelle des nutations, des petits changement de direction de son axe de rotation. Plus particulièrement nous allons nous  concentrer sur les effets des nutations de la coquille interne, soit le manteau solide pour un océan de subsurface, soit un noyau interne dans le cas d'un noyau partiellement fluide. A travers des expériences de laboratoire et des calculs numériques notre objectif est de répondre aux questions suivantes: Quelle est l'influence de la taille de la coquille interne, de sa géométrie et son orientation par rapport à la coquille externe sur (i) les fréquences propres des nutations, (ii) les conditions nécessaire pour que les mouvements dans la couche liquide soient turbulents et donc susceptibles de produire un champ magnétique, (iii) et enfin combien d'énergie peut être dissipée dans cette couche fluide.
Direct link to Lay Summary Last update: 29.03.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Pressure torque of torsional Alfvén modes acting on an ellipsoidal mantle
Gerick F, Jault D, Noir J, Vidal J (2020), Pressure torque of torsional Alfvén modes acting on an ellipsoidal mantle, in Geophysical Journal International, 222(1), 338-351.

Abstract

The goal of the proposed experimental/numerical research work is to shed light on the flows in a rapidly rotating spherical shell filled with a liquid when the inner and/or outer shell are animated by a gyroscopic motion. Such system will mimic to a large extend the dynamics arising in the liquid core of a planet when its solid inner core and/or mantle are nutating, i.e. when undergoing oscillatory perturbations of the rotation axis. The specific open questions of geophysical/astrophycal interest we will address with our study are the amount of energy dissipated in the fluid layer, the torque acting on the surrounding solid shell, the detectability of an inner core in nutation time series and the possibility to sustain a magnetic field.In the present study, we will consider the simplified problem of a uniform density, incompressible fluid enclosed in a rapidly spheroidal shell when the inner and/or outer shells are/is forced to nutate. We will derive a linear theory for the first order response, the more complex unstable flows at large enough nutation amplitudes will be investigated by mean of numerical simulations and laboratory experiments. The three approaches will overlap over a certain range of parameters while allowing to examine independently specific aspects of this problem. We will investigate in details the different flow regimes (laminar, weekly non-linear or fully turbulent) as a function of the inner core size, nutation’s frequency and amplitude. We will identify the mechanism sustaining instabilities, measure the energy dissipation and the torque acting on the outer shell in these regimes. Finally, we will derive scaling laws of those quantities to extrapolate our results to planetary conditions. In addition we will construct a numerical database from our results and recently published studies on precession driven flows to initiate a collaborative open access database of numerical simulations of precession, nutation, libration and tide driven flows and dynamos.
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