rotation de la graine, ondes dans le noyau terrestre et variations de la durée du jour // Title: Inner core rotation, waves in Earth's core and length-of-day variations

Les écoulements dans le noyau terrestre sont principalement estimés à partir de l'analyse des variations du champ géomagnétique [1]. Les données satellitaires ont permis d'étudier l'évolution de ces écoulements depuis 2000. Parallèlement, la rotation différentielle entre la graine solide et le manteau peut être estimée à partir de l'étude d'ondes sismiques qui traversent la graine. Il a été suggéré récemment que cette rotation différentielle est passée de prograde à rétrograde vers 2008 [2, 3]. Un tel comportement implique nécessairement des mouvements dans le noyau liquide, ce dernier étant couplés magnétiquement à la graine. L'objectif de la thèse est de rassembler ces deux types de données dans un modèle dynamique du noyau terrestre.

Du côté magnétique, l'accumulation récente d'observations satellitaires rend ce travail opportun. Les données de la mission Swarm de l'ESA, qui a fait suite à la mission allemande CHAMP, sont maintenant complétées par celle de la mission chinoise MSS. Ces dernières devraient nous permettre d'améliorer la résolution temporelle des modèles de champ magnétique (et donc d'écoulement du noyau) à environ un an.

L'analyse des données satellitaires a conduit à la découverte d'ondes hydromagnétiques invariantes le long de l'axe de rotation dans le noyau liquide, de période environ 7 ans. Pour ces ondes non axisymétriques (2-D), le mécanisme de restauration mélange forces magnétiques et de Coriolis. Bien que cartographiées dans la région équatoriale du noyau [4], elles peuvent être présentes dans tout le volume fluide [5]. Il existe également des ondes axisymétriques de période similaire, pour lesquelles la force de rappel est purement magnétique – les ondes d'Alfvén de torsion – qui ont été révélées par des données au sol [6]. Ces ondes se propagent dans l'ensemble du noyau fluide et sont couplées à la rotation axiale de la graine.

La rotation de la graine par rapport au manteau et les ondes dans le noyau fluide sont couplées à la rotation du manteau par transfert de moment angulaire. Ses variations temporelles se reflètent dans les changements de la longueur du jour (LOD pour 'length-of-day'), connus avec précision grâce à la géodésie. Des oscillations interannuelles de la LOD ont été associées à des ondes dans le noyau [6]. Cependant, le mécanisme de couplage sous-jacent reste débattu. Le couple électromagnétique entre le noyau fluide et le manteau a été très étudié. Le couplage gravitationnel entre la graine et le manteau constitue une alternative, du fait de variations latérales de densité dans le manteau [7]. Une signature des oscillations de la graine dans les données géodésiques GRACE et GRACE-FO est envisageable [8]. Dans le scénario du couplage gravitationnel, le noyau fluide (qui porte la majeure partie du moment angulaire du noyau) est étroitement couplé à la graine (qui apporte le couplage avec le manteau) par l'intermédiaire des forces de Lorentz. Les résonances observées dans la LOD peuvent alors être le signe d'oscillations libres d'un noyau interne magnétiquement couplé aux mouvements du fluide, et/ou d'oscillations du noyau interne forcées par des ondes hydromagnétiques se propageant dans le noyau fluide.

Le doctorant étudiera simultanément les ondes dans le noyau fluide, la rotation différentielle de la graine par rapport au manteau et l'équilibre du moment angulaire. Il/elle utilisera le code numérique 3D XSHELLS développé par N. Schaeffer à ISTerre [9] et développera éventuellement des modèles réduits 1-D et 2-D qui profitent de l'invariance des mouvements le long de l'axe de rotation. Les prédictions des variations de LOD seront un autre outil pour valider les modèles construits par le doctorant. En particulier, malgré la couverture globale offerte par les missions spatiales ces 25 dernières années, aucune amélioration n'est observée dans l'équilibre du moment angulaire entre le noyau et le manteau. Le travail du doctorant pourrait contribuer à résoudre cette énigme.
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Motions in the Earth's core are primarily estimated from the analysis of the time changes in the Earth's magnetic field [1]. Satellite magnetic data have enabled us to investigate the temporal evolution of the fluid motions at the core surface, from 2000 to the present. At the same time, the differential rotation between the solid inner core and the mantle may be estimated from the study of repeated seismic waves traveling through the inner core. It has been suggested recently that this differential rotation has changed from prograde to retrograde around 2008 [2, 3]. Such a behavior necessarily involves motions in the fluid core, as these are magnetically coupled to the solid inner core. The goal of the thesis is to put together these two types of data in a dynamical model of the Earth's core.

On the magnetic side, the recent accumulation of observations makes this work timely. Data from the Swarm mission of ESA, which followed up the German CHAMP mission, are now complemented by data from the Macau MSS satellite. This latter should help us to improve to about one year or less the time resolution of magnetic field (and thus core flow) models.

The analysis of satellite magnetic data has led to the discovery of axially invariant wave-like motions in the Earth's fluid core, with period around 7 years. For these non axisymmetric (2-D) hydromagnetic waves the restoring mechanism mixes the magnetic and Coriolis forces. Although mapped in the equatorial region of the Earth's core [4], they may be present in the entire fluid volume [5]. There also exists axisymmetric waves with similar periods, for which the restoring force is purely magnetic - therefore called torsional Alfvén waves. They had been revealed previously from data collected in ground magnetic observatories [6]. The torsional Alfvén waves propagate within the entire fluid core and are coupled with the axial rotation of the inner core.

The rotation of the inner core relative to the mantle and the waves in the fluid core are also coupled to the rotation of the mantle by transfer of angular momentum. Its time variations are reflected in the changes of the length-of-day (LOD) accurately known from geodesy. Interannual LOD oscillations have been detected, and associated to waves in the core [6]. However, the underlying coupling mechanism responsible for observed LOD variations remains debated. The electromagnetic torque between the Earth's fluid core and the mantle has been much studied. The gravitational coupling between the inner core and the mantle constitutes an alternative, since the latter presents lateral density variations [7]. Interestingly, there may be a signature of the inner core oscillations relative to the mantle in the GRACE and GRACE-FO data [8]. In the gravitational coupling scenario, the fluid core (which carries most of the core angular momentum) is tightly coupled to the solid inner core (which brings the mantle coupling) via Lorentz forces. Observed resonances in the LOD series may then sign free oscillations of an inner core magnetically coupled to fluid motions, and/or inner core oscillations forced by hydromagnetic waves traveling throughout the fluid core.

The PhD candidate will investigate simultaneously waves within the fluid core, differential rotation of the solid inner core relative to the mantle, and the angular momentum balance. She/he will employ the 3-D numerical code XSHELLS developed by N. Schaeffer at ISTerre [9] and possibly develop 1-D and 2-D reduced models that take advantage of the invariance of the motions parallel to the rotation axis. Predictions of the LOD changes will be another tool to validate the models constructed by the PhD candidate. Specifically, despite the accurate magnetic coverage from space available over the past 25 years, no improvement has been observed in the angular momentum balance between the core and the mantle. The work of the PhD candidate may help to solve this puzzle.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Université Grenoble Alpes

105 STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes

Le/la candidat.e aura une formation en (géo)physique, maths appliquées et/ou calcul scientifique. Elle/il interagira avec les membres de l'équipe géodynamo du laboratoire ISTerre (Grenoble).
The candidate should have some background in (geo)physics, applied maths and/or scientific computing. She/he will interact with member of the “geodynamo” team of ISTerre.