Sur ces images, nous regardons des volutes turbulentes alimentées par la chute de billes de verre dans de l’eau. C’est notre modèle simplifié de la « neige de fer » qui existe dans le noyau de certaines planètes.
Certaines planètes génèrent leur propre champ magnétique grâce au mouvement de métal liquide dans leur noyau – un processus nommé « dynamo », à l’œuvre sur Terre. En effet, la Terre est suffisamment grande pour que la pression y induise une solidification du métal liquide depuis le centre du noyau vers sa périphérie, favorisant ainsi de grands mouvements de convection qui alimentent le champ magnétique de notre planète.
En revanche, sur de petites planètes telluriques, la pression est trop faible pour permettre cette cristallisation depuis le centre de la planète. Cette dernière peut même être inversée : elle se fait alors depuis la périphérie du noyau, à la frontière avec le manteau. C’est un scénario plausible pour Ganymède, un satellite de Jupiter.
Dans ce cas, quand le métal liquide cristallise à la périphérie du noyau, des flocons de fer se forment, plus denses que le métal liquide. Sans rien sous leurs pieds pour les retenir, ils chutent vers le centre de la planète par gravité, et fondent lorsqu’ils atteignent des températures trop élevées – comme la neige.
Avec nos expériences, nous essayons de comprendre ce qui alimente le mouvement de dynamo dans ces petites planètes. Une des hypothèses est que le métal liquide est brassé par cette « neige » de flocons de fer solide qui chutent dans le métal liquide.
Du noyau au labo
Pour modéliser et mieux comprendre ce phénomène de « neige de fer », la physique doit être simplifiée. Cristallisation et fonte des flocons sont temporairement mises de côté, la forme complexe des flocons est approchée par une sphère, et les matériaux sont remplacés.
Ainsi, regardons-nous en laboratoire l’écoulement que génère la chute de sphères de verre (alias les flocons) dans de l’eau (alias le métal liquide, de même viscosité que l’eau). En sondant l’intérieur de l’écoulement grâce à une nappe laser verticale, nos photos révèlent que la chute des particules de verre, en blanc, ne laisse pas le fluide indifférent : elles produisent des nuages turbulents, aux tourbillons visibles à l’aide de rhodamine, un colorant orange. On observe un phénomène très similaire de turbulence quand on met du sucre dans son café (si les grains sont assez nombreux et concentrés !).
Ces images délivrent une observation fascinante : sur chacune des trois photos, il tombe exactement 1 gramme de sphères de verre, mais plus les particules sont grosses (de gauche à droite), plus le nuage qu’elles génèrent est petit et éphémère. Car c’est bien la présence des particules qui alimente la turbulence ; dès lors que les particules s’échappent des tourbillons, ces derniers ralentissent avant de s’immobiliser, la viscosité de l’eau dissipant fatalement tout mouvement.
La tendance des grosses particules à être peu sensibles aux tourbillons, et à donc s’en séparer rapidement, est un effet d’inertie qui nous est quotidien : dehors, pour une vitesse de vent donné, une petite plume d’oisillon suit mieux et plus longtemps le vent qu’une grande plume de pigeon, moins sensible aux mouvements d’air. Du fait de cette inertie, le gramme de petites particules est plus à même d’entretenir un nuage turbulent par sa simple sédimentation dans de l’eau initialement immobile.
Pour les flocons, il existe plusieurs façons de « forcer » l’écoulement
Plusieurs précédents travaux sur la neige de fer n’ont pas permis de trancher si les flocons brassent notablement le fluide au cours de leur chute, si bien que l’étude de leur sédimentation a parfois été évacuée. Pourtant, nos expériences, dont les résultats seront bientôt soumis pour publication, suggèrent que les flocons peuvent avoir différents comportements qui meuvent le métal liquide, notamment en un nuage turbulent.
En revanche, ces mêmes travaux ont montré que la dynamo peut provenir d’une « convection compositionnelle » : la fonte de nombreux flocons à une profondeur donnée accumulerait un excès de fer liquide, plus dense que le reste du métal liquide, aboutissant fatalement à une plongée rapide de cette neige fondue en profondeur – comme le ferait une nappe d’eau surplombant de l’huile. C’est ce que nous allons maintenant étudier en réalisant une neige de sucre dans de l’eau, pour ajouter à notre modèle l’ingrédient de la fonte des flocons, modélisée par la dissolution du sucre.