Earth's differentiation by large planetary collisions : instability and fragmentation in a liquid impact

La différenciation de la terre : étude des instabilités et de la fragmentation lors d'un impact La Terre s'est formée par une succession d'impacts entre des embryons planétaires. Après chaque collision, le noyau métallique de l'embryon impactant a coulé dans un océan de silicates fondus. Dans cet océan, le métal liquide s'est-il fragmenté en gouttes ? Cette fragmentation, et la taille des gouttes ainsi formées, ont déterminé l'efficacité des transferts chimiques entre le métal de l'impactant et les silicates de l'océan de magma et, par conséquent, la composition du noyau et du manteau de la Terre. Pour répondre à cette question, nous avons réalisé des expériences de dynamique des fluides modélisant les impacts géants planétaires. Dans une première série d'expériences, nous avons étudié l'impact d'un volume centimétrique de liquide monophasique, représentant le noyau de l'impactant, à la surface d'un bain d'un liquide immiscible et moins dense, représentant l'océan de magma. Nos expériences reproduisent l'écoulement observé dans les simulations numériques de collisions planétaires : l'impact éjecte une corolle et ouvre un cratère hémisphérique, qui s'effondre et forme un jet ascendant. Contrairement aux simulations, nos expériences se rapprochent du régime dynamique des collisions planétaires, durant lesquelles les forces inertielles dominent par rapport aux forces visqueuses et interfaciales. En variant la vitesse et la taille de l'impactant, nous avons déterminé les conditions pour lesquelles ce dernier se fragmente en gouttes. La fragmentation se produit lorsque le nombre de Froude, qui mesure l'importance relative de l'inertie par rapport à la gravité, est supérieur à 10, quelle que soit la valeur de la tension superficielle. Cette fragmentation résulte de la croissance d'une instabilité de Rayleigh-Taylor à l'interface entre le liquide impactant et le bain liquide. La taille moyenne des gouttes ainsi formées dépend du rapport entre l'inertie des instabilités de Rayleigh-Taylor et la force de tension superficielle. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons utilisé des impacteurs biphasiques, pour montrer que nos résultats sont valables pour des embryons planétaires différenciés en un noyau et un manteau. Appliqués aux collisions qui ont formé la Terre, nos résultats suggèrent que le noyau de la plupart des impactant s'est fragmenté en gouttes. Pour des objets percutant la Terre à la vitesse d'échappement, seuls les noyaux des corps de rayon supérieur à 2100 km ne se sont pas fragmentés et ont coalescés directement avec le noyau de la Terre. Tout impactant plus petit ou plus rapide a engendré la fragmentation au moins partielle du noyau. Les gouttes de métal qui en ont résulté avaient un rayon inférieur au millimètre, ce qui garantit qu'elles se sont équilibrées complètement avec les silicates environnants.