When a ferromagnet is heated, it loses its magnetism. Stars and planets have magnetic fields, as does the Earth. But it is known that the center of the Earth is very hot. Therefore, to sustain the large magnetic field of a planet, we cannot look to simple ferromagnetism like that of a bar magnet, but we have to look at the movement of electric charges within the Earth’s molten core to generate magnetic field. This magnetic field sustainment against ohmic dissipation by turbulent flow is referred to as the turbulent dynamo effect. Theoretical research into the mechanisms that create the dynamo has been actively pursued for several decades, culminating recently in massive computer simulations of the Earth’s core. Most of these studies have employed the equations of magnetohydrodynamics (MHD), a nonlinear theory of electrically conducting fluids. The EDQNM (Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian) closure is a statistical model designed so that the turbulence equations derived from Navier-Stokes dynamics can be closed and satisfy the realizability condition of positivity of the kinetic energy spectrum. In case of MHD turbulence, realizability requires more work. We have proved in an earlier work that equations analogous to those expected of the EDQNM closure for MHD without mean fields satisfy the appropriate realizability conditions (Turner and Pratt 1999). In this work, we discuss requirements needed to make the MHD equations realizable with mean fields, extending those of neutral fluid turbulence by Turner [1]. Finally, we discuss direct numerical simulations and the correspondence of the statistical theories with simulation results.

La thèse porte sur l'étude de l'instabilité dynamo et est composée de trois parties. La première est une étude du problème d'instabilité linéaire et de l'effet de la turbulence sur le seuil d'instabilité. La turbulence agit comme un bruit multiplicatif sur le champ magnétique et d'autres instabilités entrant dans ce cadre ont été étudiées expérimentalement et analytiquement. La seconde partie traite du problème de saturation du champ magnétique. Dans un cas particulier, une équation d'amplitude pour le mode instable est déterminée près du seuil d'instabilité. Le résultat est alors généralisé à d'autres exemples d'écoulements et diverses lois d'échelle pour l'énergie à saturation sont déterminées. La troisième partie présente l'étude expérimentale d'un écoulement tourbillonnaire de sodium liquide réalisé dans l'expérience VKS (von Karman Sodium). La mesure du champ magnétique dans un écoulement soumis à un champ extérieur permet de mettre en évidence les divers mécanismes d'amplification du champ.

La magnétohydrodynamique (MHD) est la science et le formalisme qui décrivent les mouvements d'un fluide conducteur d'électricité. Il est possible que de tels mouvements donnent lieu à l'effet dynamo qui consiste en la génération d'un champ magnétique stable et de grande échelle. Ce phénomène est vraisemblablement à l'origine des champs magnétiques des planètes, des étoiles et des galaxies. Il est surprenant qu'alors que les mouvements fluides à l'intérieur de ces objets célestes sont turbulents, les champs magnétiques généré soient de grande échelle spatiale et stables sur de longues périodes de temps. De plus, ils peuvent présenter une dynamique temporelle régulière comme c'est le cas pour le champ magnétique solaire dont la polarité s'inverse tous les onze ans. Décrire et prédire les mouvements d'un fluide turbulent reste l'un des problèmes les plus difficiles de la mécanique classique. %La description aussi bien analytique que numérique d'un fluide hautement turbulent est d'une effroyable complexité, si pas tout simplement impraticable. Dans cette situation, Il est donc utile de construire des modèles aussi proches que possible du système de départ mais de moindre complexité de sorte que des études théoriques et numériques deviennent envisageables. Deux approches ont été considérées ici. D'une part, nous avons développé des modèles présentant un très petit nombre de degrés de liberté (de l'ordre de la dizaine). Une étude analytique est alors possible. Ces modèles ont une dépendance en les paramètres physiques - nombres de Reynolds cinétique et magnétique et injection d'hélicité - qualitativement similaire aux dynamos célestes et expérimentales. D'autre part, les modèles en couches permettent de caractériser les transferts d'énergie entre les structures de différentes tailles présentes au sein du champ de vitesse. Nous avons développé un nouveau formalisme qui permet d'étudier aussi les échanges avec le champ magnétique. De plus, nous proposons une étude de la MHD dans le cadre de la décomposition hélicoïdale des champs solénoïdaux - une idée similaire à la décomposition de la lumière en composantes polarisées et que nous sommes les premiers à appliquer à la MHD. Nous avons montré comment exploiter cette approche pour déduire systématiquement des modèles simplifiés de la MHD. En particulier, nos méthodes multiplient le nombre de situations descriptibles par les modèles en couche comme par exemple le problème anisotrope de la turbulence en rotation. Elles permettent aussi de construire des modèles à basse dimension en calquant les résultats de simulations numériques directes. Ces modèles peuvent alors être étudiés à moindre coûts. _______________ Magnetohydrodynamics (MHD) is both the science and the formalism that describe the motion of an electro-conducting fluid. Such motion may yield the dynamo effect consisting in the spontaneous generation of a large scale stationary magnetic field. This phenomenon is most likely the reason behind the existence of planetary, stellar and galactic magnetic fields. It is quite surprising that also the fluid motion within these objects is turbulent, the generated magnetic fields present large spatial structures evolving over long time scales. Moreover these fields can present a very regular non trivial dynamics like in the case of the Sun, the magnetic field of which switches polarity every eleven years. To describe and predict the motion of a turbulent flow remains one of the most challenging problem of classical mechanics. It is therefore useful to build models as close to the initial system as possible but of a lesser complexity so that their theoretical and numerical analysis become tractable. Two approaches have been considered here. Low dimensional models have been developed that present about ten degrees of freedom. An analytical study of the resulting dynamical system is then possible. Interestingly, the dependance of these models on the physical parameters - kinetic and magnetic Reynolds number as well as injection of kinetic helicity - qualitatively matches that of the cosmic and experimental dynamos. On the other hand, shell models allow to characterise the energy transfers between structures of different sizes within the velocity field. A new formalism is presented which makes possible to also study the exchanges with the magnetic field. Furthermore, a description of MHD in the helical decomposition is proposed. I show how to use this decomposition to build new shell and low dimensional models. The methods developed here allow to broaden the scope of possible applications of the models. In particular, shell models are generalised in such a way that they can now describe anisotropic situations like that of rotating turbulence.

Die Frage nach der Herkunft und der dynamischen Entwicklung langlebiger kosmischer Magnetfelder ist in vielen Details noch unbeantwortet. Es besteht zwar kein Zweifel daran, dass das Magnetfeld der Erde und anderer kosmischer Objekte durch den sogenannten Dynamoeffekt verursacht werden, der genaue Mechanismus als auch die notwendigen Voraussetzungen und Randbedingungen der zugrundeliegenden Strömungen sind aber weitgehend unbekannt. Die für einen Dynamo interessanten Strömungsmuster, die im Inneren von Himmelskörpern durch Konvektion und differentielle Rotation entstehen, sind Konvektionsrollen parallel zur Rotationsachse. Auf einer Strömung mit eben solcher Geometrie, der sogenannten Roberts-Strömung, basieren die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Dynamomodelle. Mit Methoden der nichtlinearen Dynamik wird versucht, das Systemverhalten bei Änderung der Systemparamter genauer zu charakterisieren. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit einer Analyse der Dynamoaktivität der Roberts-Strömung in Abhängigkeit von den zwei freien Parametern in den Modellgleichungen, der magnetischen Prandtl-Zahl und der Stärke des Energieinputs. Gefunden werden verschiedene Lösungstypen die von einem stationären Magnetfeld über periodische bis zu chaotischen Zuständen reichen. Die yugrundeliegenden Symmetrien werden beschrieben und die Bifurkationen, die zum Wechsel der Lösungstypen führen, charakterisiert. Zusätzlich gibt es Bereiche bei sehr kleinen Prandtl-Zahlen, in denen überhaupt kein Dynamo existiert. Dieses Verhalten wird in der Literatur auch für viele andere numerisch ausgewertete Modelle beschrieben. Im Übergangsbereich zwischen dynamoaktivem und dynamoinaktivem Bereich wird das Auftreten einer sogenannten Blowout-Bifurkation gefunden. Desweiteren beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, inwiefern Helizität, also eine schraubenförmige Bewegung, der Strömung den Dynamoeffekt beeinflusst. Dazu werden ähnliche Strömungstypen verglichen, die sich hauptsächlich in ihrem Helizitätswert unterscheiden. Es wird gefunden, dass ein bestimmter Wert der Helizität nicht unterschritten werden darf, um einen stabilen Roberts-Dynamo zu erhalten. / The question of origin and development of longlasting cosmic magnetic fields is in many details an unanswered question. There is no doubt that the magnetic fields of cosmic objects like the earth, the sun and larger structures are caused by the so called dynamo effect. The exact mechanism as well as the necassary properties and boundary conditions for the underlying flow field are mostly unknown. The flow pattern believed to act as the source of dynamo activity in the inner of cosmic bodies are convection-like rolls parallel to the rotation axis of this objects and are results of the acting body forces due to differential rotation and thermal convection. The basis of the considered dynamo model is a flow field revealing such flow structures, the so called Roberts flow. The numerical investigations start with an analysis of dynamo activity of the Roberts flow in dependence on the two free parameters magnetic Prandtl number and forcing strength. The model shows different types of solutions starting from steady magnetic states in a very small parameter region at larger magnetic Prandtl numbers, time-periodic solutions and chaotic behavior for stronger forcing. For small magnetic Prandtl numbers the system doesn't carry any magnetic field. This 'small Prandtl number problem' is in accordance with the behavior of several other numerically investigated dynamo models described in the literature. The transient region between dynamo activity and the non-magnetic states can be classified by a so-called blowout bifurcation. Furthermore the investigation deals with the question in what way the helical structure of the flow field indicated by a non-vanishing kinetic helicity influences the dynamo process. The comparison of very similar flow families, mainly distinguishable by their different helicity values, leads to the result that beneath a lower bound no stable Roberts dynamo is working.

La magnétohydrodynamique (MHD) est la science et le formalisme qui décrivent les mouvements d'un fluide conducteur d'électricité. Il est possible que de tels mouvements donnent lieu à l'effet dynamo qui consiste en la génération d'un champ magnétique stable et de grande échelle. Ce phénomène est vraisemblablement à l'origine des champs magnétiques des planètes, des étoiles et des galaxies. <p><p>Il est surprenant qu'alors que les mouvements fluides à l'intérieur de ces objets célestes sont turbulents, les champs magnétiques généré soient de grande échelle spatiale et stables sur de longues périodes de temps. De plus, ils peuvent présenter une dynamique temporelle régulière comme c'est le cas pour le champ magnétique solaire dont la polarité s'inverse tous les onze ans. <p><p>Décrire et prédire les mouvements d'un fluide turbulent reste l'un des problèmes les plus difficiles de la mécanique classique. <p>%La description aussi bien analytique que numérique d'un fluide hautement turbulent est d'une effroyable complexité, si pas tout simplement impraticable. Dans cette situation, <p>Il est donc utile de construire des modèles aussi proches que possible du système de départ mais de moindre complexité de sorte que des études théoriques et numériques deviennent envisageables.<p><p>Deux approches ont été considérées ici. D'une part, nous avons développé des modèles présentant un très petit nombre de degrés de liberté (de l'ordre de la dizaine). Une étude analytique est alors possible. Ces modèles ont une dépendance en les paramètres physiques - nombres de Reynolds cinétique et magnétique et injection d'hélicité - qualitativement similaire aux dynamos célestes et expérimentales.<p><p>D'autre part, les modèles en couches permettent de caractériser les transferts d'énergie entre les structures de différentes tailles présentes au sein du champ de vitesse. Nous avons développé un nouveau formalisme qui permet d'étudier aussi les échanges avec le champ magnétique. <p><p>De plus, nous proposons une étude de la MHD dans le cadre de la décomposition hélicoïdale des champs solénoïdaux - une idée similaire à la décomposition de la lumière en composantes polarisées et que nous sommes les premiers à appliquer à la MHD. Nous avons montré comment exploiter cette approche pour déduire systématiquement des modèles simplifiés de la MHD. En particulier, nos méthodes multiplient le nombre de situations descriptibles par les modèles en couche comme par exemple le problème anisotrope de la turbulence en rotation. Elles permettent aussi de construire des modèles à basse dimension en calquant les résultats de simulations numériques directes. Ces modèles peuvent alors être étudiés à moindre coûts.<p><p><p>_______________<p><p><p><p><p>Magnetohydrodynamics (MHD) is both the science and the formalism that describe the motion of an electro-conducting fluid. Such motion may yield the dynamo effect consisting in the spontaneous generation of a large scale stationary magnetic field. This phenomenon is most likely the reason behind the existence of planetary, stellar and galactic magnetic fields. <p>\ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished