Projet ANR-11-IS04-0004 – TERRA-MWH : Expériences de convection avec chauffage interne généré par micro-ondes – applications à la dynamique terrestre
Programme : Blanc International II - SIMI 4 - Physique (Blanc Inter II SIMI 4) 2011
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Angela LIMARE (INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS)
Partenaires : Institut de physique du globe; Laboratoire public
Montant : 233844.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Nous proposons d’étudier la convection dans le manteau terrestre en nous basant sur des expériences analogiques originales incorporant les processus de chauffage interne par absorption de microondes. 
L’évolution thermique des planètes telluriques est contrôlée par l’efficacité de la convection de leur manteau solide qui elle même dépend des sources de chaleur, d’une part par le bas, et d’autre part en volume par chauffage interne dû à la désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du potassium quarante. Alors que le chauffage interne par radioactivité représente la plus grande source de chaleur dans la Terre, il reste peu étudié par rapport au chauffage par le bas. 
Le chauffage par le bas est en effet une condition aux limites bien définie et plus facile à contrôler, à la fois dans les modèles numériques et analogiques. Inversement, le chauffage interne représente une caractéristique complexe du système convectif en raison de sa variabilité spatiale et temporelle. Au cours du temps, alors que le corps convectif se refroidit par convection, les éléments radioactifs se désintègrent et impose une deuxième échelle de temps à l’évolution du système. De plus, dans un système chimiquement hétérogène comme la Terre, les éléments radioactifs sont redistribués au cours du temps en fonction du degré de mélange entre les différents réservoirs mantelliques, et contrôlent en retour la dynamique de ces réservoirs (notamment le manteau inférieur et supérieur). Les méthodes numériques permettant de prendre en compte de tels couplages spatio-temporels entre évolution chimique et thermique sont particulièrement complexes et ne permettent d’étudier qu’une partie des régimes dynamiques possibles. Les méthodes analogiques peuvent permettre d’explorer beaucoup plus exhaustivement l’espace des paramètres; le but de ce projet est de développer de telles méthodes. 
Nous proposons de réaliser des expériences de convection dans le cas le plus général incorporant chauffage par le bas et refroidissement par le haut, et en présence de chauffage interne. Nous proposons plusieurs géométries, les premières classiques permettant d’obtenir les lois génériques d’évolution thermique du système convectif, et les dernières plus spécifiques, dédiées à une question relative à la convection du manteau terrestre. L’originalité première de notre approche analogique sera de reproduire le chauffage interne par l’absorption de microondes. Le chauffage par microondes offre une méthode unique pour la production sans contact d’une source de chaleur, soit très localisée, soit étendue, par un choix judicieux de l’antenne et de la séquence d’excitation et des propriétés d’absorption sélective des fluides utilisés. Notre but technique est ainsi de réaliser et tester un prototype de chauffage par micro-ondes dédié aux expériences de convection. Ce dispositif inclura un générateur de microondes de puissance donnée et une antenne sur laquelle se propage la radiation microondes dans le volume de la probe. Étant donné la complexité du processus de chauffage, la puissance de la radiation microondes et la séquence d’excitation doivent être accordées finement. La flexibilité du protocole mis en œuvre via l’utilisation des microondes nous permettra de généraliser l’application de cette méthode – pour l’instant réservée au monde médical – à des problématiques environnementales plus vastes et intéressant la dynamique de grands réservoirs liquides chauffés en volume.