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Le champ magnétique terrestre

L'inversion du champ géomagnétique (III)

Vers 1906, le physicien français Brunhes nota que dans certaines laves, le champ magnétique était inversé, phénomène confirmé par le Japonais Matuyama qui suggéra l'existence d'inversions répétées du champ géomagnétique au cours des temps géologiques. Mais sa théorie restera méconnue.

Fluctuation de la polarité du champ géomagnétique depuis 5.25 millions d'années (positif en noir, négatif en blanc). La dernière inversion dite de Matuyama-Brunhes s'est produite il y a environ 780000 ans. Document AGU adapté par l'auteur.

Après beaucoup de tâtonnements, à partir de 1960, physiciens et géologues réalisèrent des études isotopiques et de magnétostratigraphie des roches basaltiques et parviennent à établir une théorie qui confirma l'idée de Matuyama. Ils suggérèrent que le noyau de la Terre interagissait avec le manteau, créant ainsi que nous l'avons évoqué un phénomène de dynamo à l'origine du champ géomagnétique.

Cette inversion est également visible sur les dorsales océaniques à l'endroit des divergences des plaques tectoniques. Comme on le voit ci-dessous, les mesures magnétiques relevées traversalement à travers l'Atlantique suivent une forme en créneau, avec des plateaux d'intensités élevées régulièrement espacés par des intensités plus faibles.

Variations du champ magnétique mesurées sur la dorsale Atlantique.

Ce phénomène périodique s'explique par le déplacement des plaques, l'empreinte magnétique ne s'incrustant de manière définitive qu'au moment de la cristallisation des laves. Il est donc normal d'observer des zones alternées de polarité magnétique opposée au fur et à mesure de l'écoulement du magma sur le plancher des océans.

Si les modèles géomagnétiques dont celui précuseur de Glatzmaier et Roberts présenté ci-dessus prédisent une inversion du champ magnétique, ces modèles nous disent également que l'inversion est annoncé par l'apparition de taches de flux inverse (où les polarités sont inversées). Ces taches de flux inverse se forment lorsque les lignes régulières du champ magnétique portant une certaine polarité sont enroulées par le magma fluide et, à l'image d'une boucle ou d'un noeud, percent la surface terrestre, formant des taches où la polarité magnétique est inversée. Un phénomène similaire se produit sur le Soleil.

A télécharger : Simulation du champ géomagnétique et son inversion

Fichiers .kmz pour Google Earth préparés par MAGE Project

Les trois images de gauche représentent une simulation de l'inversion du champ géomagnétique réalisée en 1995 par Gary Glatzmaier et Paul Roberts au Pittsburgh Supercomputing Center de Los Alamos. Avant l'inversion, les lignes de force du champ magnétique s'élèvent au-dessus du pôle magnétique Nord, s'incurvent autour de la Terre et plongent dans le pôle magnétique Sud (gauche). La période d'inversion dure environ 1000 ans. Le champ magnétique se rétablit ensuite avec une inversion des polarités (droite). Bien que les auteurs aient étendu leur simulation sur plus de 200000 ans ils n'ont pas observé de nouvelle inversion. Mais avec une seule expérience à analyser et des paramètres sous caution, les scientifiques peinent à déterminer l'exactitude de ce modèle et les raisons de ce phénomène. Vous trouverez des simulations de ce phénomène sur le site du PSC. L'article des deux auteurs fut notamment publié dans Nature, 377, p203-209 en 1995. A droite, gros-plan sur les fluctuations magnétiques depuis plus d'un million d'années et valeur moyenne du champ au cours des dernières périodes (chron). Document AGU adaptés par l'auteur.

Sur le terrain, on a effectivement découvert qu'entre 1980 et 2000, deux taches de flux inverse situées dans la région subtropicale de l'hémisphère Sud se sont agrandies et de nouvelles taches sont apparues dans l'hémisphère Nord. Il pourrait s'agir d'un indice en faveur d'une prochaine inversion de flux. Mais cette évolution n'est pas dramatique et il faudra bien plus qu'un indice et quatre petites taches de flux inverse pour renforcer cette hypothèse.

Tache de flux inverse (en rouge, 22 μT) sous l'Atlantique Sud à l'origine de la SAA. Données fondées sur le modèle IGRF2000.

Ainsi qu'on peut le voir sur la carte présentée à gauche préparée par le DMI à partir du modèle IGRF2000, il y a notamment une grande tache de flux inverse dans l'hémisphère Sud de la Terre qui est l'origine de la fameuse Anomalie de l'Atlantique Sud, la SAA.

Bien que le minimum soit dans l'absolu de faible intensité, 22 μT par rapport à la valeur moyenne de 40 μT, son impact radioélectrique est très important à hauteur de la Ceinture de Van Allen au point qu'elle perturbe le bon fonctionnement des satellites artificiels traversant cette région, créant des erreurs dans les programmes et des pertes de données. Depuis qu'on mesure la SAA, son intensité a diminué de 50%.

En théorie, ces taches pourraient être le signe précurseur d'une prochaine inversion puisque les modèles numériques semblent le confirmer. Selon la thèse de Vincent Morin publiée en 2005, sous certains régimes on observe effectivement que la dynamo s'inverse, l'inclinaison du dipôle magnétique subit des fluctations mais elles sont relativement régulières, le dipôle restant généralement près de l'axe de rotation au cours d'une dizaine de temps magnétiques (voir ci-dessous).

En revanche, sur la même période et pour certaines valeurs des paramètres (E=3x10-4, q=3, Ra=13.32) le moment magnétique oscille très fortement avec des bouffées de champ magnétique qui fluctuent près de 0. Etant donné qu'il présente en moyenne de faibles valeurs et est très peu dipolaire, ceci explique pourquoi les physiciens préfèrent représenter l'évolution du champ magnétique à travers l'inclinaison du dipôle.

La dernière inversion dite de Matuyama-Brunhes est survenue il y a environ 780000 ans et avait duré 181000 ans. Statiquement la durée moyenne des inversions est de 200000 ans. Certains géologues pensent que notre planète est en retard sur ce cycle qu'ils jugent quasi-périodique mais personne ne sait exactement quand se produira la prochaine inversion géomagnétique car globalement ces inversions ont un comportement chaotique et donc intrinsèquement inprévisible. Par le passé l'une de ces inversions a duré 60 millions d'années, nous avons donc le temps. Ceci dit, à d'autres époques les inversions magnétiques se sont succédées tous les 5000 ans... Difficile dans ces conditions d'établir un pronostic.

A gauche, variation de l'inclinaison du dipôle magnétique en fonction du temps pour des valeurs de E=0.0003, q=3 et Ra=13.32. A droite, variation du moment dipolaire correspondant. Son profil n'a rien de comparable et son intensité est nettement plus faible. Documents V.Morin.

Contrairement à l'inversion quasi-périodique du champ magnétique solaire qui suit un cycle de 22 ans, le champ magnétique terrestre qui est pourtant 100 fois plus faible est instable pour une raison inconnue, sans doute liée aux propriétés du noyau. La prochaine inversion magnétique peut survenir demain ou dans 60 millions d'années. Certains pensent toutefois que dans 1200 ans voire 2000 ans selon Kenneth Hoffman de l'AGU, les polarités seront inversées. Bien malin celui qui pourrait le certifier.

C'est pour mieux appréhender l'évolution du champ magnétique que le réseau de surveillance InterMagnet fut créé. Il se compose d'environ 40 stations de mesures distribuées à travers le globe.

Les conséquences d'une inversion de polarité

La question qui se pose aujourd'hui est de savoir ce qu'implique une inversion de polarité du champ géomagnétique et, question subsidiaire, que se passera-t-il le jour où le noyau de la Terre se refroidira ?

A regarder les autres planètes ou satellites morts prématurément, Mars ou la Lune par exemple, notre futur ne semble pas très enviable; il n'est pas impossible en effet que la solidification du noyau nous prive non seulement de chaleur mais entraîne la disparition du champ magnétique global et avec lui la mort de notre planète. Mais qu'en savons-nous exactement ? En effet, que cet évènement éventuel ne nous alarme pas. En 2004, certains astrophysiciens ont suggéré que le vent solaire (les électrons notamment) pourrait également alimenter la géomagnétosphère en courant électrique et entretenir le champ géomagnétique. Ils ont calculé que si le champ magnétique terrestre disparaissait soudainement, les collisions entre le plasma ionisé du vent solaire et l'ionosphère pourraient générer des courants électriques suffisamment forts pour former un bouclier magnétique dont l'intensité serait comparable au champ géomagnétique actuel.

L'étude du champ géomagnétique n'a pas pour seul but de satisfaire la curiosité intellectuelle des chercheurs mais trouve également des applications pratiques, notamment dans les télécommunications. A gauche, le creux dans le champ géomagnétique équatorial à l'équinoxe d'automne à 6h TU prédit par DXAtlas. A droite, la fréquence critique de la couche ionosphérique F2 dans les mêmes conditions. Elle est de 4.44 MHz sur l'Europe occidentale. On le voit mieux sur ce graphique réalisé avec HFProp. Pour le trafic à grande distance (intercontinental), durant les périodes calmes de l'activité solaire on constate que la propagation en ondes-courtes (HF) est contrôlée par la composante horizontale du champ géomagnétique et dans une moindre mesure par l'effet du rayonnement solaire sur les couches ionosphériques. En d'autres termes, dans certaines conditions, le champ magnétique terrestre contrôle l'ionosphère.

Comme le disent certains, une fois de plus Gaïa nous démontre qu'elle réagit comme un être autonome. Si la Terre présente le champ magnétique le plus intense des planètes telluriques, c'est du fait qu'il s'agit de la seule planète "vivante", ceci expliquant cela. Désolé, mais ce genre d'assertion n'est pas très scientifique, encore moins évident, et reste à ce jour une hypothèse purement spéculative. En effet, rien ne permet d'affirmer que la vie disparaîtrait si la Terre perdait son champ magnétique ou inversement que la vie n'a pu se développer que grâce à la protection offerte par la magnétosphère. Et de fait il y a environ 800000 ans, lorsque la Terre subit une inversion du champ magnétique, il ne s'est rien produit de particulier dans le règne du vivant; le phénomène n'a provoqué aucun effet particulier. Alors pourquoi encore se référer à la théorie de Gaïa si elle n'a aucun fondement scientifique ?

Il ne faut pas non plus confondre la magnétosphère et le champ géomagnétique. Si la première agit comme un bouclier spatial, protégeant la surface de la Terre de l'exposition au vent solaire et aux particules chargées de forte énergie, le champ géomagnétique ne semble pas jouer de rôle fondamental; il ne nous offre ni protection ni avantage particulier. Tout au plus aide-t-il les oiseaux, les papillons et certains organismes marins (les cétacés notamment) à s'orienter grâce à la magnétite.

Par ailleurs, si le noyau et le manteau terrestre venaient à se refroidir, il n'est pas évident que cela aurait des conséquences sur la température superficielle du globe. Nous avons vu à propos de la Terre qu'à partir de 20 à 30 m de profondeur selon la nature des sols, les variation annuelles sont insensibles et qu'ensuite la température augmente de 3° tous les 100 m. On peut supposer que même si le coeur de la Terre était froid, cela ne changerait pas fondamentalement les conditions de vie sur Terre qui sont beaucoup plus sensibles à d'autres facteurs, notamment météorologiques. Un noyau froid nous mettrait tout d'abord à l'abri des séismes et autres éruptions volcaniques. Bien sûr on perdrait en même temps la beauté de quelques phénomènes naturels.

Mais que le noyau soit actif ou pas, chacun sait également qu'au fond des océans la température ne dépasse pas 4°C et les pôles sont gelés en permanence malgré les fortes chaleurs qui règnent au centre de la Terre. Enfin, il ne faut pas oublier que la principale source d'énergie sur Terre est la chaleur du Soleil; la meilleure démonstration de son effet est la saison hivernale où privée du Soleil, l'écosystème terrestre se meurt pratiquement.

Le champ géomagnétique multipolaire

Dans une étude publiée en 2016, le géophysicien et planétologue Peter Driscoll de la Carnegie Institution de Washington (CIS) a montré que la Terre n'a pas toujours présenté un dipôle magnétique. En effet, à certaines époques des champs magnétiques plus faibles émanaient de plusieurs pôles comme on le voit ci-dessous à droite.

Nous avons évoqué précédemment le phénomène de géodynamo à l'origine du champ géomagnétique. Toutefois, le noyau interne (la graine) de la Terre n'a pas toujours été solide et les scientifiques ont voulu savoir quand ce changement d'état est survenu et de quelle manière il affecta le champ magnétique de la planète.

Représentations du dipôle actuel et dominant (gauche) et du quadripole géomagnétique (droite) qui émerga il y a environ 650 millions d'années. A l'époque, il existait un dipôle intense orienté verticalement mais également des pôles magnétiques plus faibles au comportement chaotique. Documents Science News et T.Lombry inspiré de Peter Driscoll.

L'analyse de la polarité magnétique des anciennes roches a révélé que les signatures remontant entre 650 millions et un milliard d'années étaient très différentes des signatures magnétiques plus récentes. Ces traces suggèrent que le champ magnétique terrestre s'est décalé ou se serait même subdivisé en plusieurs pôles. Selon Driscoll, ces nouveaux modèles contredisent l'hypothèse généralement admise selon laquelle le champ bipolaire aurait été stable à toutes les époques.

Sur base de l'analyse de modèles de l'histoire thermique de la Terre simulés jusqu'à 4.5 milliards d'années, Driscoll est arrivé à la conclusion que le noyau interne commença à se solifier il y a 650 millions d'années. D'autres modèles utilisant des simulations 3D de la dynamo indiquent que la Terre commença par présenter un dipôle intense mais à certaines époques des pôles magnétiques supplémentaires sont apparus. Ces derniers étaient plus faibles et fluctuèrent de manière chaotique en intensité et en direction. A une certaine époque, la Terre présenta donc un champ quadripolaire voire multipolaire. Ce n'est qu'après la solidification du noyau interne il y a environ 650 millions d'années que le champ géomagnétique a repris sa structure bipolaire avec une intensité relativement élevée (notons que le Soleil connut un phénomène similaire avec l'apparition d'un quadrupôle temporaire en 2012).

Selon Driscoll, ces découvertes pourraient expliquer les étranges fluctuations de la direction du champ magnétique observée das les enregistrements géologiques remontant entre 600 et 700 millions d'années. De tels changements ont également de nombreuses implications qui devront être analysées.

En guise de conclusion

Dans le fond il reste étonnant qu'en physique fondamentale personne ne sache aujourd'hui pourquoi l'aiguille de la boussole indique le nord, pourquoi la Terre dispose d'un champ magnétique ? Si les idées ne manquent pas quand au comment, le pourquoi des choses reste encore aujourd'hui en dehors du domaine de compétence de la géophysique ou de l'astrophysique.

L'étude du champ géomagnétique est très complexe et commence seulement à livrer ses secrets. C'est un champ d'études très intéressant dont on reparlera certainement beaucoup dans les années à venir.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Statut temps-réel de l'activité solaire, géomagnétique et des aurores

Indices solaires et autres échelles géomagnétiques

Les défaillances des satellites

Origine du champ magnétique solaire

La Terre, berceau de l'Humanité

Généralités

La géodynamo, IPGP

Géomagnétisme, NRCAN

Le processus de dynamo, David P. Stern, Phy6

Le magnétisme terrestre, L'Académie de la Réunion

Le champ magnétique terrestre, IRM

Earth's Magnetic Field, Judson L. Ahern

Geodynamo, PSC

Emmanuel Dormy, IPGP

Gary Glatzmaier simulations), PSC

Paul Roberts, UCLA

Weija Kuang, NASA/GSFC

Jeremy Bloxham, EPS/Harvard

International Geomagnetic Reference Field, IGRF

Programmes et calculatrices

Simulation du champ géomagnétique et son inversion (.kmz pour Google Earth), MAGE Project

Modèles géomagnétiques IGRF et WMM, NGDC/NOAA

Valeurs du champ géomagnétique en un point du globe, U.Kyoto

Calculateur de déclinaison magnétique, NRCan

Logiciel de calcul de la déclinaison magnétique 

Magnetic Field and Declination Calculator, NGDC/NOAA

Simulateur d'harmoniques sphériques (applet Java)

Publications

Modélisation numérique de la dynamo terrestre, thèse d'Emmanuel Dormy, 1997

Instabilités et bifurcations associées à la modélisation de la géodynamo, thèse de Vincent Morin, 2005

Publications de l'AGU dans le domaine des Sciences de la terre

Timescales of the Paleomagnetic Field, James E.T. Channell et al, AGU, 2004

Earth's Core: Dynamics, Structure, Rotation, Veronique Dehant et al., AGU, 2003

The Core-Mantle Boundary Region, Michael Gurnis, AGU, 1998/2000

Livres

Cartes, boussoles et GPS

Guide d'orientation avec carte, boussole et GPS

Satellites d'étude de la géomagnétosphère

Cluster, Geotail, IMP-8, Polar, Wind.

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