Soutenance de thèse de Quentin KRIAA

La présente étude s’intéresse aux écoulements que génèrent elles-mêmes des précipitations, i.e. des écoulements qui émergent suite à la sédimentation de particules denses solides (flocons) ou liquides (gouttes), inertes ou réactives (changement de phase). Cette thèse est spécifiquement motivée par deux phénomènes géophysiques. Lors de sa formation il y a 4,5 milliards d’années, la Terre a subi des impacts violents avec d’autres planètes telluriques. Lorsqu’ils étaient assez grands, ces impacteurs ont fait fondre le manteau terrestre en un océan de magma. Leur noyau de métal liquide a alors été projeté dans cet océan et a éclaté en gouttelettes, conduisant à la chute d’un nuage de gouttes de métal liquide qui a longtemps été modélisée comme une « pluie de fer ». Aujourd’hui même, le lent refroidissement de Ganymède – un satellite naturel de Jupiter – conduirait à la solidification de son noyau métallique depuis la périphérie. Il en résulterait la formation de flocons solides de fer pur, plus denses que le métal liquide, qui chutent donc par gravité comme une « neige de fer ». Mais ces cristaux refondent en profondeur à cause des hautes températures. La neige fondue poursuit alors sa chute vers le centre de Ganymède, nourrissant une convection compositionnelle vraisemblablement à l’origine d’une dynamo. Dès le départ de cette thèse, la flottabilité était identifiée comme principal moteur de ces écoulements, et la nature particulaire du forçage comme ingrédient central de leur complexité. Faisant fi des détails morphologiques des flocons, et de la dynamique de fragmentation et coalescence des gouttes, cette étude démarre au chapitre 1 par l’analyse expérimentale du couplage entre un fluide immobile et des nuages de particules sédimentant collectivement en son sein. Le choix de l’écoulement canonique de thermique turbulent a révélé les spécificités induites par la nature particulaire du forçage : un découplage gravitaire entre la turbulence et les particules, et un taux de croissance accru des nuages, présentant un maximum pour une taille précise des particules. Au-delà des interprétations fondées sur la phénoménologie classique des écoulements turbulents chargés en particules, les simulations eulériennes en two-way coupling du chapitre 2 révèlent que la turbulence n’est pas essentielle à l’optimum de croissance des nuages. Des simulations laminaires reproduisent en effet nos observations, qui sont dues à la déformation de la structure interne du nuage, dont la circulation est diminuée par la dérive gravitaire des particules, augmentant ainsi la capacité d’entraînement du nuage à grande échelle. Les expériences du premier chapitre ont également été menées avec une rotation de fond comme modèle de rotation planétaire. Celle-ci interrompt la croissance des nuages lorsque la force de Coriolis devient comparable à leur inertie : ils s’enroulent alors en colonnes tourbillonnaires. Le chapitre 3 révèle que cette dynamique réduit la dilution des nuages, atténuant l’efficacité d’équilibrage chimique entre gouttes de métal et océan de magma suite à un impact planétaire, d’autant plus que la planète tourne rapidement et que les éléments chimiques en jeu sont sidérophiles. Le quatrième chapitre ajoute alors le changement de phase : en tamisant continûment des grains de sucre au-dessus d’une cuve d’eau, leur dissolution assure la formation d’eau sucrée qui plonge en profondeur par flottabilité, fournissant un analogue de la neige de fer fondue. La microphysique de la suspension de grains contrôle une richesse de comportements, s’étendant du panache turbulent à la lente émergence d’un écoulement laminaire à grande échelle, dû aux forçages cumulés des sillages de grains. En guise d’ouverture sont abordées les implications de ces expériences sur la transition sédimentation-convection et sur le forçage possible d’une dynamo par neige de fer.

The present study focuses on flows that are generated by precipitations, i.e. that emerge following the settling of dense particles, whether they be solid (snow flakes) or liquid (drops), inert or reactive (due to phase change). This thesis is specifically motivated by two geophysical phenomena. 4,5 billion years ago, during its formation, the Earth experienced violent impacts with other rocky planets. When sufficiently large, those impactors released enough energy to melt the rocky mantle of the Earth and form a magma ocean. As their metal core was thrown in this ocean, it shattered intro drops, leading to the fall of a cloud of liquid metal drops that has long been modelled as an « iron rain ». Presently, the secular cooling of Ganymede – a natural satellite of Jupiter – is likely responsible for the solidification of its metal core from the periphery inward. This would lead to the formation of solid iron snow flakes that are denser than the ambient liquid metal, hence that would fall like an « iron snow » due to gravity. But if these crystals reach excessive temperatures, they remelt. The resulting molten iron snow keeps sinking downward, nourishing a compositional convection that likely feeds a planetary dynamo. Since the start of this PhD, it was identified that buoyancy is the main force driving those geophysical flows, and that the particulate nature of the buoyancy forcing is a key ingredient of their complexity. Disregarding morphological details about the snow flakes, as well as the specific dynamics of fragmentation-coalescence of drops, this study begins in chapter 1 with an experimental analysis of the coupling between a still fluid and a cloud of particles that settle collectively in this fluid. Comparing particle clouds with the canonical turbulent thermal reveals the specificities induced by the particulate nature of the buoyant material : a gravitational decoupling of the particles from the turbulence they initially generate, and an enhanced growth rate of the clouds that is maximum for a specific particle size. Going beyond classical interpretations based on the well-known phenomenology of particle-laden turbulent flows, the 3D two-way coupled Eulerian simulations of chapter 2 show that turbulence is not essential to the optimum growth of particle clouds. Indeed, laminar simulations recover our observations, which are due to the disruption of the cloud inner structure, whose circulation is weakened by the particles’ gravitational drift, therefore enhancing the cloud growth. To model planetary rotation, the experiments of the first chapter were also performed on a spin table to include background rotation. The latter interrupts the growth of clouds when the Coriolis force becomes commensurate with their inertia: the clouds then roll up as vortical columns. Chapter 3 reveals that this dynamics reduces the clouds’ dilution, diminishing the chemical equilibration efficiency between metal drops and a magma ocean, all the more as the planet rotates faster and as the chemical elements involved in the mass transfers are more siderophilic. The 4th chapter adds a new ingredient: phase change. As sugar grains are continuously sieved above a water tank, their dissolution leads to the formation of sugary water that sinks down the tank due to its negative buoyancy, mimicking the behaviour of the molten iron snow. The microphysics of the suspension of sugar grains controls a wealth of behaviours, ranging from lazy turbulent plumes to the slow onset of a laminar large-scale flow, due to the cumulative forcing by successive wakes of large sugar grains. Some implications of these experiments are finally discussed on the transition from settling iron snow to compositional convection, considering the possibility of an iron-snow-driven dynamo in the core of small rocky planets.