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Le champ magnétique terrestre

Le géomagnétisme et la magnétosphère

De la boussole chinoise aux satellites artificiels, de l'exploration maritime des XV et XVI siècles à l'exploration du système solaire des XX et XXI siècles, l'Homme a pu tracer les cartes de sa conquête en utilisant rationnellement ses observations , les mesures physiques , les mathématiques. La logique hypothético-déductive, les essais et les erreurs permettent d'avoir une vision du monde en continuelle évolution. L'origine du champ magnétique terrestre reste énigmatique car l'exploration du noyau de la planète est complexe et incomplète. Les modèles qui prévalent sont donc datés et sujets à révision. C'est la force et la faiblesse de la Science.

En quelques mots                                                                                              


La planète Terre agit comme un aimant géant. L'effet du champ magnétique terrestre sur une aiguille aimantée est le principe de la boussole. Les pôles magnétiques se situent à 11,5° des pôles de rotation (pôles géographiques ) de la Terre. Actuellement un des pôles magnétiques se trouve au nord-ouest du Canada ( pôle arctique) et l'autre dans le sud de l'océan indien (pôle antarctique ). La Terre est donc une source de champ magnétique et son spectre magnétique, ou magnétosphère, semble entourer un gigantesque barreau aimanté, d'axe bipolaire, voisin de l'axe de rotation. Les lignes de champ jaillissent ou pénètrent dans la Terre là où se situent les pôles magnétiques.


L'étude de roches d'ages différents a permis d'établir que la position des pôles magnétiques change avec le temps . C'est ainsi que l'on a découvert que les pôles magnétiques dévient et peuvent même s'inverser. Plusieurs dizaines d'inversions de polarité du champ magnétique terrestre ont été recensées sur une période de plusieurs millions d'années, au moins 9 fois au cours des 3,6 derniers millions d'années. On ignore les raisons de l'inversion et on ne sait pas quand elle se reproduira.

  Le champ magnétique terrestre est sans doute produit par le noyau liquide de fer de la planète en rotation .  Mais  aux températures élevées qui règnent dans le noyau , le fer perd sa capacité d'agir comme un aimant permanent. Il faut donc invoquer l'effet dynamo, c'est à dire la production d'un champ magnétique constamment maintenu par un courant électrique circulant dans le noyau . Un champ magnétique primordial ou initial ( solaire , interplanétaire,  galactique ) a été peut-être nécessaire au début des processus.

 Le champ magnétique terrestre est d'une importance capitale pour la vie sur Terre . Il s'étend dans l'espace et engendre la magnétosphère au dessus de 800 kilomètres d'altitude  sur une distance équivalant à plusieurs rayons terrestres . La magnétosphère agit comme un bouclier qui fait dévier les particules chargées du vent solaire. Sans ce bouclier, les particules du vent solaire et celles des rayons cosmiques produiraient un taux de radiations nocif qui compromettrait l'existence des espèces vivantes.

 Les replis de la magnétosphère capturent une grande quantité de particules chargées (particules alpha, électrons , protons , positrons ) et l'emmagasinent dans deux ceintures de radiation en forme d'anneau entourant l'équateur magnétique de la Terre, appelées ceintures de Van Allen. Ces zones ont été découvertes en 1958 au moyen d'un compteur Geiger ( détecteur de particules chargées )  placé par James Van Allen à bord d'Explorer-1, le premier satellite artificiel américain. Les ceintures de Van Allen déversent des particules chargées dans l'atmosphère terrestre près des pôles magnétiques, ce qui produit les aurores polaires , boréales pour l'hémisphère Nord , australes pour l'hémisphère Sud.
 Certains oiseaux (en particulier les oiseaux migrateurs) et d’autres animaux utilisent le champ géomagnétique pour s’orienter.


La mise en évidence du champ magnétique


Inclinomètre - déclinomètre


Une boussole, dont l'aiguille aimantée est suspendue par son centre de gravité à un fil sans torsion, s'oriente dans une direction qui n'est pas horizontale. Son pôle nord pointe vers la terre et s'oriente vers le pôle magnétique Nord de la Terre. Ce système décèle l'existence d'un champ magnétique à la surface de la Terre. Il est important que cette boussole soit placée à distance de tout champ magnétique artificiel ( circuit électro-magnétique ) et même de toute masse importante de fer.

Le champ magnétique terrestre d'un lieu est caractérisé par un vecteur champ magnétique B ayant pour direction et sens ceux de l'axe SN de l'aiguille aimantée.
Le méridien magnétique d'un lieu est le plan vertical contenant le vecteur champ magnétique B en ce lieu.
Le méridien géographique du lieu est le plan défini par la verticale du lieu et la ligne des pôles géographiques terrestres.
Déclinaison et inclinaison

La déclinaison magnétique

L'angle D que fait le méridien magnétique avec le méridien géographique est appelé déclinaison magnétique du lieu considéré. C'est l'erreur d'indication de l'aiguille aimantée de la boussole. On distingue une déclinaison est [E ou positive] et une déclinaison ouest [W ou négative ] , selon l'orientation de l'aiguille par rapport au méridien.
La déclinaison magnétique se mesure à l'aide de la boussole de déclinaison.

  • Les isogones sont les lignes qui relient sur une carte les lieux d'égale déclinaison (Edmund Halley , 1700) . En France la déclinaison est de l'ordre de 5° ouest. Des anomalies magnétiques locales peuvent provoquer des erreurs d'indication atteignant 180°.
  • Les agones sont les lignes de déclinaison nulle : elles passent par les lieux où l'aiguille aimantée de la boussole indique précisément le nord.
  • Les isodynames relient sur une carte les lieux d'égale composante horizontale ( B0 ) du champ magnétique terrrestre. En France B0 = 20 µT.
  • Site permettant  d'évaluer  la déclinaison magnétique selon les coordonnées : National Geophysical Data Center 

L'inclinaison magnétique

L'angle I que fait le vecteur champ magnétique B avec l'horizontale est l'inclinaison magnétique.
Les lignes de champ magnétique ne sont parallèles à la surface terrestre qu'au niveau  du plan équatorial magnétique ( I = 0° ) . Contrairement à l'équateur géographique, l'équateur magnétique est irrégulier et n'est pas fixe.
  • Les isoclines sont les lignes qui relient sur une carte les lieux d'égale inclinaison.
En France l'inclinaison est de l'ordre de 60°.
Aux pôles magnétiques  I = 90 ° . L'aiguille aimantée est verticale.
[Les lignes de force forment un entonnoir aux niveau des pôles.]

La mesure  du champ magnétique terrestre

Les magnétomètres  permettent la mesure de l'intensité de ce champ : en moyenne 50 µT ( microTesla ) ou 50000 nT ( nanoTesla ) . 
L'intensité varie en fonction de la latitude ( plus forte aux pôles , plus faible à l'équateur magnétique 31,5 µT) .
Les mesures au sol ont été complétées par des mesures en vol : en avion les mesures bénéficient de la continuité des lignes de champ en minimisant  les anomalies localisées.Il existe environ 200 observatoires magnétiques opérationnels sur les continents, complétés par des mesures sur les océans et des mesures par satellite.

Les variations du champ magnétique terrestre


Les caractéristiques du champ magnétique terrestre d'un lieu ( intensité du champ , inclinaison , déclinaison )  ne demeurent pas constantes au cours du temps. L'étude des variations se fait à l'aide de magnétogrammes .

Les anomalies magnétiques
Le champ magnétique terrestre est composé en majorité ( 90%) d'un champ dipolaire provenant des couches très profondes de la planète et d'un champ non dipolaire provenant de roches magnétiques situées à faible profondeur dans le sol. Les roches volcaniques et les gisements métallifères peuvent provoquer des anomalies magnétiques  et même les sous-marins en plongée. Les variations peuvent concerner les deux composantes du champ magnétique terrestre. En un lieu et une époque donnée il y a deux valeurs du champ magnétique terrestre à considérer: d'une part, celle qui est déduite de la supposition d'une aimantation régulière de la Terre et , d'autre part, celle que l'on peut mesurer directement en ce lieu. La différence entre ces deux valeurs qui, en certaines régions peut être considérable, mesure ce que l'on appelle l'anomalie magnétique .

Variation du champ dans le temps
On distingue les variations d'origine interne des variations d'origine externe.

Variations sur une courte durée  ( de quelques fractions de secondes à plusieurs années ): elles sont la conséquence d'interactions entre le vent solaire et l'ionosphère terrestre ( tempêtes magnétiques ). Les ionisations dans l'ionosphère donnent naissance à des courants électriques accompagnés de champs magnétiques. Les tâches solaires entraînent une cyclicité externe de 11 ans.

Variations sur une longue durée ( de quelques années à plusieurs millions d'années) : elles ont pour cause la migration lente des pôles magnétiques , variation du champ magnétique principal dipolaire.
Ceci est mis en évidence par les mesures établies depuis le XVII° siècle ( variation séculaire)  et par le paléomagnétisme.

  • Variation séculaire du champ magnétique terrestre : on appelle variation séculaire ( par définition d'une année à l'autre ) , le lent changement du champ magnétique terrestre sur des périodes allant de quelques années à des millénaires.  Henry Gellibrand l'a découverte en 1634, en comparant les observations de la déclinaison magnétique à Londres à des observations précédentes.

  • Paléomagnétisme : lorsqu'une roche en fusion contenant du fer se solidifie, ses atomes de fer se figent dans une orientation donnée : cette empreinte fossile est due aux substances telles que des oxydes de fer, qui se sont magnétisées dans la roche alors que celle-ci, de liquide devenait solide. Il s'agit en quelque sorte d'une empreinte de la direction du champ magnétique au moment de la solidification de la roche. Au cours du processus, les minéraux se sont rangés, comme de minuscules aiguilles de boussole, le long des lignes de force du champ magnétique terrestre. Scientifiquement on a la certitude que le champ magnétique terrestre existe depuis au moins 150 millions d'années ( c'est l' age des plus vieux planchers océaniques ). 
L'inversion du champ magnétique dipolaire
Les inversions  sont connues et datées pour les 5 derniers millions d'années ( paléomagnétisme et datations absolues ). La dernière inversion a eu lieu il y a  780 000 ans.

La magnétosphère terrestre                                                                            

Ce terme de géophysique désigne la région de l'espace entourant la Terre dans laquelle est confiné le champ magnétique terrestre. C'est une zone d'interaction entre l'extension spatiale du flux magnétique terrestre , les particules du vent solaire , et le champ magnétique interplanétaire. C'est une zone au-dessus de la ionosphère, où les champs électromagnétiques priment sur le champ gravitationnel de la planète. Découverte en 1958 par la mission Explorer-1 la magnétosphère terrestre a été nommée ainsi par Thomas Gold de l'université Cornel.

La magnétosphère n'est pas sphérique. Le vent solaire déforme le spectre magnétique de la Terre . 
Du côté de la face éclairée de la Terre et en direction du soleil, la magnétosphère s'étend sur 70000 km ( soit 10 à 12 rayons terrestres  - RT= 6370 km ). La frontière ( magnétopause )  de la magnétosphère frontale est à 15 RT.
Du côté de la face non éclairée de la Terre , en direction opposée au soleil , la magnétosphère se déploie sous forme d'un cylindre ( la queue ) sur 20 à 25 RT et pourrait s'étirer jusqu'à 200 RT sans que l'on connaisse bien son mode de terminaison. Comme la Lune est à 60 RT elle traverse parfois la queue de la magnétosphère sans interaction bien notable.






Le vent solaire est brutalement ralenti et chauffé dans la région du choc , avant la magnétosphère proprement dite. La magnétogaine est située en aval du choc,  avant la magnétopause qui forme une frontière entre la magnétosphère (champ magnétique terrestre) et le milieu interplanétaire où glisse le vent solaire qui contourne la planète. Les cornets pôlaires se comportent comme des entonnoirs ( au Nord et au Sud ) où les lignes du champ magnétique terrestre se projettent près des pôles magnétiques. Le vent solaire peut s'y engouffrer mais n'atteint pas la ionosphère. Ses particules sont chassées vers la queue de la magnétosphère en passant dans la région du manteau. Certaines seront capturées pour contribuer à la formation d'aurores pôlaires ( boréales ou australes ). 

Dans la queue on trouve donc le manteau où le flux de particules est important , deux lobes ( Nord , Sud ) où le flux est moins dense , la couche de plasma (ou couche neutre) où la densité des ions et électrons est plus élevée. La plasmasphère est la région de la magnétosphère , extérieure à l'ionosphère,  qui est entrainée par la rotation de la Terre sur elle-même. 

 Aurore boréale au dessus du Bear Lake dans la base d’Eielson de l’US Air Force en Alaska.
(Image Wikimedia Commons ) 

Les ceintures de radiation

La capture des particules par le champ magnétique dans la magnétosphère  engendre 2 ceintures de radiation autour de notre planète . Elles ont été découvertes par les premiers satellites artificiels ( Explorer -1 et Explorer 3 , Spoutnik 3). Un des collaborateurs de Van Allen se serait exclamé : « Mon Dieu , l'espace est radioactif !  ».
  • La ceinture interne est composée de protons de 10 à 100 MeV. Elle est centrée sur les lignes du champ magnétique terrestre à 1,5 RT de centre de la Terre.
  • La ceinture externe , découvert plus tard est entre 2,5 et 8 RT , est composée de courant de plasma à basse énergie ( 65 KeV ) parcouru par des particules de plus haute énergie ( 1 MeV ) .
La capture par le champ magnétique terrestre des particules chargées dans les ceintures de radiation peut être vraiment stable. C'est surtout vrai pour la ceinture interne.

Ceintures de radiation interne et externe


Origines et le mécanisme du champ magnétique terrestre


La description des phénomènes liés au champ magnétique terrestre sont bien décrits. En revanche les mécanismes à l'origine de ce champ et les variations de ce champ restent très mal compris.

La rotation de la Terre et sa structure interne semblent être nécessaires à l'existence de ce champ.
La modélisation des « dynamos couplées auto-excitées » est très  électrotechnique , pour tout dire simpliste et réductrice, même si elle peut expliquer avec succès les inversions. Elle implique l'existence d'un champ magnétique externe primordial lié au système interplanétaire ou solaire ou galactique.

Expérience VKS : étudier la dynamo terrestre ...au labo   [Source Futura -Sciences 02/2008 ]
Les traces de l'aube du champ magnétique terrestre ...sur la lune  [Source Futura -Sciences - 12/ 2008 ]

Une nouvelle théorie du géomagnétisme a été avancée par Alain Toureille ( IES , Université Montpellier 2 )[1]
[ A développer ]
Jusqu'à aujourd'hui, nous n'avons pas de théorie confortée du géomagnétisme : la plupart des spécialistes pensent que le phénomène proviendrait des mouvements convectifs du noyau liquide qui serait un bon conducteur électrique tournant dans un champ magnétique. Aucune simulation actuelle à base de magnétohydrodynamique (MHD) s'appuyant sur des paramètres physiques vraisemblables ne semble satisfaisante.

Les géologues semblent s'accorder sur la composition suivante de la Terre à géométrie sphérique :
  • Le Manteau, composé de silicates, olivines , peu conducteur électrique, va de la surface à la limite du noyau.Les mouvements convectifs extrêmement lents sont à l'origine de l'évolution des plaques tectoniques. Température jusqu'à 2250°C.
  • Le noyau supposé contenir essentiellement du fer liquide (85%) avec du Nickel (7,5%), du Soufre et de l'Oxygène. D'importants mouvements de convection affectent le noyau dans sa partie liquide.
  • Il existe une couche intermédiaire , mal connue , appelée D" entre le noyau et le manteau d'une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres où la température évolue très rapidement de 2250°C à 4000°C . On doit y trouver des matériaux composites très hétérogènes formés de fer et d'olivine( pallasites, sidérites...) principalement solides.
  • La limite entre le noyau et D" s'appelle la CMB : Core Mantle Boundary.
Les géomagnéticiens pensent que le noyau avec ses mouvements convectifs responsable du champ magnétique. Il s'agit d'un système intégré qui s'auto-entretient comme une dynamo refermée sur elle-même alimentant son excitation. Les théoriciens tentent de résoudre un très complexe problème de magnétohydrodynamique en écrivant toutes les équations électriques, thermiques et mécaniques dans ce gigantesque noyau conducteur en rotation soumis à la convection.La puissance de calcul actuelle est insuffisante pour répondre à l'intégration de tous les bons paramètres( viscosité, forme, modes de mouvements de convection ).


L'actualité [2]


Le champ magnétique terrestre serait dû aux effets combinés de la rotation de la planète et du mouvement de fer fondu dans le noyau de la Terre.  Il était à peu près impossible, jusqu'à ce jour, de reproduire un tel processus au départ avec de la matière dans un état autre que solide.
Des travaux de chercheurs du CNRS, de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, de celle de Lyon et du CEA, ont consisté à créer en laboratoire un champ magnétique dans un écoulement très turbulent de sodium liquide. Le champ mis en évidence présente des similarités avec les champs magnétiques planétaires ou stellaires. Si l'hypothèse que le champ magnétique de la Terre est engendré par un effet dynamo, c'est-à-dire par les mouvements d'un fluide conducteur de l'électricité, avait déjà été émise dès 1919 par le physicien anglais Sir Joseph Larmor, il aura cependant fallu attendre 2007 pour en obtenir un début de confirmation expérimentale. 

On comprend mieux les inversions du champ magnétique de la terre. F. Pétrélis, S. Fauve, E. Dormy et J.-P. Valet proposent une explication des inversions du champs magnétique de la Terre. Elles proviendraient d’un couplage entre ses composantes dipolaire et quadrupolaire en relation avec l’apparition d’asymétries au sein de la convection du noyau entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud. 

Sites

Champ magnétique terrestre ( MSN Encarta ): excellent résumé , mais  sans figure ou photographie . 
Géomagnétisme / Champ magnétique de la Terre ( Site des ressources naturelles du canada ) : remarquablement bien fait , bien illustré , en français , mis à jour en 2008 .
Dynamique du noyau terrestre, géodynamo et dynamos planétaires , Institut de Physique du globe de Paris , Julien Aubert , Jussieu . Belles animations. 
L'exploration de la magnétosphère terrestre  :   Un site Web éducatif très complet et détaillé écrit par David P. Stern et Mauricio Peredo (2002 )        
Le Vent Solaire et les relations Soleil-Terre ( site de l'Observatoire de Paris ) 
Site du GdR dynamo : Le GdR Dynamo désire fédérer la recherche et les développements théoriques, numériques et expérimentaux en magnétohydrodynamique (MHD) et sur l'effet dynamo dans les milieux naturels (planètes, étoiles, milieux interstellaires, galaxies, ...) ou tout autre milieu conducteur, effectués par les différentes équipes participant à ce thème de recherche.


Références

  1. Sur une théorie du géomagnétisme du au couplage de phénomènes électrostatiques et électrocinétiques - 6 ème conférence de la Société Française d'Electrostatique Paris & Gif-sur-Yvette , 7 au 9 juillet 2008
  2. VKS : expérience d'une dynamo utilisant le sodium liquide
    Site de l'expérience VKS
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