Description du sujet de thèse

Les mouvements dans le noyau terrestre sont principalement estimés à partir de l'analyse des variations temporelles du champ magnétique terrestre [1]. Les données magnétiques satellitaires nous ont permis d'étudier l'évolution temporelle des mouvements des fluides à la surface du noyau, de 2000 à aujourd'hui. Parallèlement, la rotation différentielle entre le noyau interne solide et le manteau peut être estimée à partir de l'étude des ondes sismiques répétées qui traversent le noyau interne. 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 fluide, puisque ceux-ci sont couplés magnétiquement au noyau interne solide. L'objectif de la thèse est de rassembler ces deux types de données dans un modèle dynamique du noyau de la Terre.
Du côté magnétique, l'accumulation récente d'observations 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 les données du satellite Macau 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 ou moins.
L'analyse des données magnétiques satellitaires a permis de découvrir des mouvements ondulatoires invariants dans le noyau fluide de la Terre, avec une période d'environ 7 ans. Pour ces ondes hydromagnétiques non axisymétriques (2-D), le mécanisme de restauration mélange les forces magnétiques et de Coriolis. Bien que cartographiées dans la région équatoriale du noyau terrestre [4], elles peuvent être présentes dans l'ensemble du volume fluide [5]. Il existe également des ondes axisymétriques avec des périodes similaires, pour lesquelles la force de rappel est purement magnétique - appelées ondes d'Alfvén de torsion. Elles avaient été révélées précédemment par des données recueillies dans des observatoires magnétiques au sol [6]. Les ondes d'Alfvén de torsion se propagent dans l'ensemble du noyau fluide et sont couplées à la rotation axiale du noyau interne.
La rotation du noyau interne par rapport au manteau et les ondes dans le noyau fluide sont également 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), connus avec précision grâce à la géodésie. Des oscillations interannuelles de la LOD ont été détectées et associées à des ondes dans le noyau [6]. Cependant, le mécanisme de couplage sous-jacent responsable des variations observées de la LOD reste débattu. Le couple électromagnétique entre le noyau fluide de la Terre et le manteau a été très étudié. Le couplage gravitationnel entre le noyau interne et le manteau constitue une alternative, puisque ce dernier présente des variations latérales de densité [7].
Il est intéressant de noter qu'il peut y avoir une signature des oscillations du noyau interne par rapport au manteau dans les données de GRACE et GRACE-FO [8]. Dans le scénario du couplage gravitationnel, le noyau fluide (qui porte la majeure partie du moment angulaire du noyau) est étroitement couplé au noyau interne solide (qui apporte le couplage avec le manteau) par l'intermédiaire des forces de Lorentz. Les résonances observées dans la série LOD peuvent alors être le signe d'oscillations libres d'un noyau interne magnétiquement couplé aux mouvements des fluides, et/ou d'oscillations du noyau interne forcées par des ondes hydromagnétiques se propageant dans le noyau fluide.
Le candidat au doctorat étudiera simultanément les ondes dans le noyau fluide, la rotation différentielle du noyau interne solide par rapport au manteau et l'équilibre du moment angulaire. Il 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 parallèles à l'axe de rotation. Les prédictions des changements de LOD seront un autre outil pour valider les modèles construits par le candidat au doctorat. En particulier, malgré la couverture magnétique précise de l'espace disponible au cours des 25 dernières années, aucune amélioration n'a été observée dans l'équilibre du moment angulaire entre le noyau et le manteau. Le travail du doctorant pourrait contribuer à résoudre cette énigme.
Références :
[1] Finlay et al. Gyres, jets and waves in the Earth’s core. Nature Reviews Earth & Environment, 4(6), 377-392 (2023).
[2] Yang and Song. Multidecadal variation of the Earth’s inner core rotation. Nature Geoscience, 16, 182-187 (2023)
[3] Wang et al. Inner core backtracking by seismic waveform change reversals. Nature, 631, 340-343 (2024).
[4] Gillet et al. Satellite magnetic data reveal interannual waves in Earth’s core. Proc. Nat. Acad. Sci. 119(13), e2115258119 (2022).
[5] Aubert et al. A taxonomy of simulated geomagnetic jerks. Geophys. J. Int., 231(1), 650-672 (2022).
[6] Gillet et al. Fast torsional waves and strong magnetic field within the Earth’s core. Nature, 465(7294), 74-77 (2010).
[7] Lau et al. Tidal tomography constrains Earth’s deep mantle buoyancy. Nature, 551, 321-326 (2017).
[8] Lecomte et al. Gravitational constraints on the Earth's inner core differential rotation. Geophys. Res. Lett., 50(23), e2023GL104790 (2023).
[9] Schaeffer et al. Turbulent geodynamo simulations. A leap towards Earth’s core. Geophys. J. Int., 211, 1-29 (2017).
Le candidat doit être titulaire d'un master et avoir des connaissances en (géo)physique, en mathématiques appliquées et/ou en informatique scientifique.
Les compétences attendues sont les suivantes : mathématiques appliquées ou (géo)physique, informatique scientifique, travail en équipe, autonomie.

Contexte de travail

Le Centre national de la recherche scientifique est une institution de recherche parmi les plus importantes au monde. Pour relever les grands défis présents et à venir, ses scientifiques explorent le vivant, la matière, l’Univers et le fonctionnement des sociétés humaines. Internationalement reconnu pour l’excellence de ses travaux scientifiques, le CNRS est une référence aussi bien dans l’univers de la recherche et développement que pour le grand public.
La thèse s'effectuera au sein du laboratoire ISTerre, Unité Mixte de Recherche de l'Université Grenoble Alpes, CNRS, USMB, IRD et Université Gustave Eiffel, située 1381 rue de la Piscine 38400 Saint-Martin d'Hères et sur le Campus Scientifique du Bourget du Lac.
Elle fait partie de l'Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG) et du Pôle de recherche PAGE de l'Université Grenoble Alpes (UGA). Son effectif est de 300 personnes environ pour un budget annuel moyen de 7 M€.
Elle est organisée autour de 10 équipes de recherche et de services, l'objectif scientifique étant l'étude physique et chimique de la planète Terre, tout particulièrement en se concentrant sur les couplages entre les observations des objets naturels, l'expérimentation et la modélisation des processus complexes associés.
ISTerre assure également les missions d'observations de la Terre solide, héberge et maintient des parcs nationaux d'instruments géophysiques, ainsi qu'un centre de données.
La thèse se déroulera dans l’Equipe Géodynamo, constituée de 14 personnes (chercheurs, enseignants-chercheurs, post-docs, doctorants et Ingénieurs).
L'école doctorale de rattachement sera STEP (Sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes) à l’UGA.

Contraintes et risques

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