Modelling and interpretation of the fast variations of the Earth's magnetic field
Modélisation et interprétation des variations rapides du champ magnétique de la Terre
Résumé
The Earth's magnetic field is mainly generated and sustained by the convective motion of Earth's liquid, conductive external core through magnetic induction. Other sources of magnetic fields add to the core field, such as electric currents flowing in the ionosphere and magnetosphere, those induced in the mantle and crust, and the persistent magnetisation of the lithosphere. Many of these sources are well known nowadays, thanks to precise and continuous magnetic measurements produced by magnetic ground observatories and low orbit satellites, associated with modern assimilation methods. The core field is especially well understood, along with its decadal evolution. Faster variations of the order of the year, however, remain hard to access, as separating the different sources becomes more challenging at these time scales. The goal of this study is to address this issue, by building a time series of core field and secular variation models, spanning 2000 to 2020 with a 3 months time step. We also aim at modelling the flow at the Earth's core surface, as it is responsible for the observed core field variations. We use a sequential approach for the assimilation of magnetic data, based on a Kalman filter and smoother, as well as strong prior information on the modelled sources. These include the core field and secular variation, the lithospheric field, fields of external origin and those induced in the mantle, as well as the surface core flow. Our data set includes satellite data from the Champ mission (2000-2010) and the Swarm mission (2013- ongoing), and ground observatory data covering the whole period. Prior information for the core field, secular variation and core surface flow is derived from the output of numerical dynamo experiments. The study is divided in two parts : in the first, we build a model including only the magnetic field sources, therefore excluding the core flow. The latter can be computed by inversion of the core field and secular variation obtained through the process. In a second part, we compute the core surface flow along with the magnetic sources. The co-estimation of the flow allows us to improve the estimation of the secular variation. The results obtained for the core field, secular variation and core flow are consistent with the current knowledge, which validates our approach. We also observe new, interesting features in the time variations of the secular variation, especially at medium and small spatial scales. We notice periodic features in the core flow time series, although with high error bars. One of the characteristics of this approach is to yield realistic errors as an output. However, this requires a complete and realistic parametrisation of the sources. Signals observed in the core field might be interpreted as actual core features as well as other, unmodelled phenomena. Refining the source parametrisation should allow for more reliable results. In particular, fields created by currents induced in the mantle and core by external fields need to be better addressed. This would lead to a better understanding of transient and periodic, fast phenomena that occur in the Earth's external core.
Le champ magnétique de la Terre est principalement généré et entretenu par les mouvements de convection ayant cours dans son noyau externe, liquide et conducteur, grâce au phénomène d'induction magnétique. Au champ du noyau viennent s'ajouter d'autres sources de champ magnétique, telles que les courants électriques circulant dans l'ionosphère et la magnétosphère et ceux induits dans la croûte et le manteau, ou encore l'aimantation rémanente des roches de la croûte terrestre. Nombre de ces sources sont aujourd'hui bien connues grâce à des mesures de champ magnétique continues et précises, réalisées à la surface de la Terre dans les observatoires et en orbite basse à bord de satellites, ainsi qu'aux méthodes de modélisation modernes. La structure du champ du noyau notamment est bien comprise, ainsi que ses variations décennales. Les variations plus rapides (de l'ordre de l'année) restent en revanche difficilement accessibles, car la séparation des différentes sources est plus difficile à ces échelles. L'objectif de ce travail est de répondre à ce problème en construisant une série temporelle décrivant les variations du champ magnétique du noyau sur une période de 20 ans, de 2000 à 2020, avec un pas de temps de 3 mois. Nous cherchons également à retrouver à travers les données l'évolution de l'écoulement à la surface du noyau externe, responsable de l'évolution du champ magnétique. Nous utilisons une approche séquentielle d'assimilation des données magnétiques, basée sur un filtre de Kalman lissé et une forte information a priori sur la structure des sources modélisées. Celles-ci incluent le champ du noyau et sa variation séculaire, le champ lithosphérique, les champs externes et les champs induits dans le manteau, ainsi que l'écoulement. Les données utilisées sont compilées à partir des données satellites des missions Champ (2000-2010) et Swarm (2013 à aujourd'hui), et l'ensemble des données d'observatoires terrestres disponibles sur la période. L'information a priori utilisée pour le champ du noyau et sa variation ainsi que pour l'écoulement est dérivée de résultats d'expériences de dynamos numériques. Le travail se divise en deux parties : la première consiste à calculer un modèle incluant uniquement les sources de champ magnétique, excluant donc l'écoulement. Ce dernier peut alors être calculé à partir du champ magnétique et de la variation séculaire obtenus. Dans la deuxième partie, nous effectuons l'estimation de l'écoulement conjointement à celle des sources magnétiques. La co-estimation de l'écoulement permet alors de mieux décrire la variation séculaire. Les résultats obtenus pour le champ du noyau, la variation séculaire et l'écoulement sont cohérents avec les connaissances actuelles et montrent la validité de l'approche. On observe de plus dans nos séries temporelles de nouvelles variations, notamment aux petites et moyennes échelles spatiales. Des phénomènes périodiques sont observés dans les variations de l'écoulement, qui sont cependant marquées par d'importantes barres d'erreurs. Une des qualités de cette approche est de pouvoir offrir en sortie des barres d'erreurs réalistes. Cependant, il faut pour cela que le paramétrage des sources soit complet ; ainsi, il est possible d'interpréter les variations observées comme des signaux provenant effectivement du noyau, ou comme des signaux extérieurs non pris en compte car inconnus. L'affinage de ce paramétrage, et notamment celui des phénomènes d'induction par les champs externes dans le manteau et dans le noyau, devrait permettre de produire des résultats plus fiables. Cela permettrait d'accéder à une meilleure connaissance des phénomènes transitoires ou périodiques rapides ayant cours dans le noyau externe de la Terre.
Origine : Version validée par le jury (STAR)