Création d’un champ magnétique dans un fluide turbulent :
vers une compréhension de l’origine des champs magnétiques naturels

Comprendre l’origine et le comportement du champ magnétique des planètes et des étoiles est l’objet de travaux menés par de nombreuses équipes du monde entier. La collaboration VKS[1] (CEA[2], Ecole normale supérieure de Lyon[3], Ecole normale supérieure de Paris[4], CNRS[3,4] ) a réussi à créer en laboratoire un champ magnétique dans un écoulement très turbulent de sodium liquide. Bien que les conditions extrêmes propres aux milieux astrophysiques et géophysiques ne soient pas toutes réalisables en laboratoire, le champ magnétique observé présente des similarités remarquables avec les champs cosmiques. Le résultat obtenu constitue une avancée significative dans la compréhension des mécanismes en jeu dans la genèse des champs magnétiques naturels. Il est publié dans Physical Review Letters du 26 janvier 2007.

La plupart des objets astrophysiques qui nous entourent (planètes, étoiles, galaxies) possèdent un champ magnétique dont l’origine est mal connue. Ces champs magnétiques peuvent jouer un rôle important dans l’évolution de différentes structures au sein de l’univers. Le champ magnétique terrestre, très probablement créé par le mouvement du fer liquide du noyau, aligne les aiguilles des boussoles et nous protège des effets nuisibles du rayonnement cosmique et du vent solaire.

Dès 1919, Larmor émet l’hypothèse que le champ magnétique du soleil est engendré par un effet « dynamo », c’est à dire par les mouvements d’un fluide conducteur de l’électricité. Du fait de leur caractère très désordonné (turbulent), l’analyse des écoulements géophysiques et astrophysiques est au delà des capacités actuelles des simulations numériques et met en échec, jusqu’à présent, les approches théoriques. Seule l’expérience permet d’approcher le phénomène dynamo avec des paramètres similaires à ceux des objets naturels. A la suite de celles effectuées en 2000 par des équipes à Riga et Karlsruhe, l’enjeu pour les physiciens était de montrer que des mouvements pleinement turbulents d’un liquide conducteur de l’électricité pouvaient engendrer spontanément un champ magnétique.

turbines
turbines

La collaboration VKS étudie depuis 1998 un écoulement fortement turbulent produit par le mouvement de deux turbines tournant en sens inverse dans un cylindre rempli de sodium liquide. Ce fluide est un excellent conducteur de l’électricité tout en ayant une densité proche de celle de l’eau, à la différence de nombreux autres métaux, beaucoup plus lourds. En septembre 2006, l’expérience VKS2 a montré que lorsque les turbines tournent à une vitesse supérieure à une vitesse critique (1020 tours/minute), cet écoulement engendre spontanément un champ magnétique. C’est la première fois que de tels résultats sont observés en milieu très turbulent.

Ce résultat prouve que les dynamos fluides continuent à opérer en présence de turbulences fortes, telles qu’elles existentdans les conditions naturelles. La réalisation en laboratoire de cette expérience dynamo ouvre de nombreuses perspectives. Elle permet notamment l’étude du bilan énergétique de la production de champ magnétique ainsi que celle de sa dynamique. Peut être sera-t-il ainsi possible de comprendre l’origine des oscillations pseudo-périodiques du cycle solaire ou des renversements irréguliers de champ magnétique terrestre.


[1]Von Karman (physicien qui donna son nom à l’écoulement réalisé) Sodium (fluide utilisé dans ces expériences)

[2]Service de physique de l’état condensé du CEA, équipe de François Daviaud

[3]Laboratoire de physique de l’Ecole normale supérieure de Lyon, (CNRS, ENS Lyon), équipe de Jean-François Pinton

[4]Laboratoire de physique statistique de l’Ecole normale supérieure, (Cnrs, ENS Paris, Universités Paris VI, et Paris VII), équipe de Stephan Fauve


Contacts

- CEA Delphine Kaczmarek
Tél : 01 64 50 20 97 - delphine.kaczmarek@cea.fr
- CNRS Cécile Pérol
Tél : 01 44 96 43 09 - Cecile.perol@cnrs-dir.fr
- ENS Lyon Virginie de Charentenay
Tél : 04 72 72 88 16 - virginie.de.charentenay@ens-lyon.fr
- ENS Paris Laurence Debertrand
Tél : 01 44 32 38 97 - laurence.debertrand@ens.fr