PÔLES DÉRIVE DES

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Dérive du pôle Nord magnétique

Dérive du pôle Nord magnétique
Crédits : Medi@terre-IPGP

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Panache magnétique terrestre

Panache magnétique terrestre
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les pôles magnétiques de la Terre, définis comme les points où le champ magnétique terrestre est exactement vertical, dérivent à une vitesse pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres par an. Cette dérive est causée par les mouvements de convection à l'intérieur du noyau terrestre, constitué à 90 p. 100 de fer à l'état liquide, qui sont à l'origine du champ magnétique terrestre. Au cours des années 1990, la vitesse du pôle Nord magnétique est brutalement passée de 15 à 60 kilomètres par an, après plus d'un siècle et demi de dérive beaucoup plus lente. Des travaux récents ont montré que ce phénomène était dû à une expulsion de flux magnétique à la surface du noyau, possiblement causée par la remontée d'un panache de fluide depuis la base du noyau.

Les pôles magnétiques

Les pôles magnétiques sont les points à la surface de la Terre où le champ magnétique terrestre est exactement vertical, c'est-à-dire où une boussole n'indique aucune direction dans le plan horizontal. Actuellement, le pôle Nord magnétique est situé dans l'Arctique canadien, tandis que le pôle Sud magnétique est situé au large de la terre Adélie, en Antarctique. Il s'agit en fait d'appellations conventionnelles faisant référence à la géographie et non à l'orientation du champ : au pôle Nord, le champ est dirigé vers le bas, selon une polarité magnétique « sud ».

En raison de la variation dite « séculaire » du champ magnétique terrestre, les pôles magnétiques dérivent lentement, à une vitesse de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres par an. La variation séculaire se traduit en France par une évolution lente mais significative de la déclinaison magnétique, c'est-à-dire de l'angle entre la direction du champ et le pôle Nord géographique. Ainsi, à Paris, la déclinaison est passée de 220 vers l'ouest à l'époque napoléonienne à moins de 10 aujourd'hui. La variation séculaire trouve son origine dans le noyau terrestre, situé à 2 900 kilomètres de profondeur et composé de métal (90 p. 100 de fer) à l'état liquide. Le noyau est animé de mouvements de convection dont l'énergie provient du lent refroidissement de la Terre et de la cristallisation fractionnée de la graine, solide, située au centre de la Terre. Ces mouvements génèrent l'essentiel du champ magnétique terrestre par un processus appelé géodynamo.

Les pôles magnétiques se déplacent aussi au cours de la journée, en raison de la variabilité diurne des champs magnétiques générés par les courants électriques circulant dans l'ionosphère. Ils décrivent une ellipse dont le demi-grand axe peut être de plusieurs dizaines de kilomètres lorsque l'activité solaire est importante. La position des pôles dont il va être question dans la suite est donc une position moyenne sur plusieurs jours.

170 ans d'observation

Le 1er juin 1831, l'explorateur britannique James Clark Ross atteint pour la première fois le pôle Nord magnétique : « Alors que nous nous congratulions, nous plantâmes le drapeau britannique et prîmes possession du pôle Nord magnétique et du territoire adjacent au nom de la Grande-Bretagne et du roi Guillaume IV. » Cet exploit pour l'époque a été réalisé alors que le navire de James C. Ross, commandé par son oncle John Ross, était immobilisé par les glaces. Parti à la recherche du passage du Nord-Ouest, l'équipage dut séjourner pendant plus de quatre ans sur la péninsule de Boothia, ce qui permit à James C. Ross d'explorer celle-ci et de localiser le pôle, situé par chance à proximité. Soixante-treize ans plus tard, l'explorateur norvégien Roald Amundsen localisa à nouveau le pôle au cours de la première traversée réussie du passage du Nord-Ouest.

Après la Seconde Guerre mondiale, le service géologique du Canada (maintenant Natural Ressources Canada, NRCan) entreprit de localiser régulièrement le pôle Nord magnétique afin de mettre à jour les cartes de déclinaison dans l'Arctique canadien, utilisées notamment pour la navigation aérienne. Plusieurs campagnes de mesures ont ainsi réalisées entre 1948 et 1994. Deux localisations supplémentaires ont été effectuées en 2001 et 2007 dans le cadre d'une coopération internationale entre Poly-Arctique, une association qui organise des expéditions polaires et collecte des fonds pour la recherche médicale, l'Institut de physique du globe de Paris, NRCan et le Bureau de recherches géologiques et minières (photo et figure).

Dérive du pôle Nord magnétique

Dérive du pôle Nord magnétique

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Depuis sa première localisation en 1831, le pôle Nord magnétique dérive en direction de la Sibérie. S'il continue à sa vitesse actuelle (55 km/an), il franchira le méridien du détroit de Béring d'ici à 2020. 

Crédits : Medi@terre-IPGP

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Panache magnétique terrestre

Panache magnétique terrestre

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Une zone de polarité inverse se forme à la surface du noyau lorsque du fluide remonte des profondeurs du noyau (a) et expulse des lignes de champ dans le manteau (b). Ce mécanisme présente des analogies avec celui des taches solaires, d'où le nom parfois utilisé de «taches de noyau».... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le pôle Sud magnétique n'a quant à lui été atteint pour la première fois qu'en 1909, par les Australiens Douglas Mawson et Edgeworth David, et l'Écossais Alistair Mackay. Par la suite, il a été localisé plusieurs fois par diverses expéditions au cours du xxe siècle.

Une campagne de mesures consiste généralement à mesurer le champ magnétique en plusieurs points au voisinage du pôle, ce qui devient de plus en plus difficile car les deux pôles s'éloignent de la terre ferme. Aujourd'hui, le pôle Nord est situé à plus de 700 kilomètres du plus proche aérodrome, sur l'île canadienne d'Ellesmere, plus loin que le rayon d'action des avions légers capables de se poser sur la banquise. Heureusement, les campagnes Poly-Arctique ont montré qu'il était désormais possible de localiser le pôle à partir de mesures satellitaires. Depuis le début des années 2000, plusieurs satellites permettent en effet de décrire le champ et sa variation avec une précision et une résolution spatiale sans précédent. Trois nouveaux satellites seront lancés en 2012 dans le cadre de la mission Swarm de l'Agence spatiale européenne.

L'accélération brutale du pôle Nord magnétique

Depuis sa première localisation par Ross, le pôle Nord magnétique dérive dans la direction nord - nord-ouest, c'est-à-dire vers la Sibérie. Mais, alors que sa vitesse était restée inférieure à 15 km/an pendant près de 160 ans, celle-ci a soudainement augmenté vers 1990 pour atteindre près de 60 km/an au début des années 2000 et se stabiliser aujourd'hui vers 55 km/an. Aucun phénomène de ce type n'a jusqu'ici été observé au pôle Sud.

Pourquoi le pôle Nord magnétique a-t-il accéléré au cours des années 1990 ? La vitesse du pôle est déterminée par deux facteurs : le gradient local et le taux de variation séculaire du champ horizontal au niveau du pôle. À taux de variation du champ égal, le pôle se déplace plus vite dans une zone de gradient faible que dans une zone de gradient élevé, comme un marcheur dont le taux de montée serait constant se déplacerait plus vite sur un chemin presque plat que sur un chemin pentu. Ainsi, si le gradient décroît, ou si le taux de variation augmente, le pôle accélère dans son déplacement. Il a été démontré que l'essentiel (75 p. 100) de l'accélération observée dans les années 1990 provient d'une augmentation concomitante et tout aussi brutale de la variation séculaire du champ horizontal dans l'Arctique canadien. Autrement dit, le pôle se trouvait au bon endroit au bon moment.

Pour comprendre l'origine de l'augmentation de variation séculaire responsable de l'accélération de déplacement du pôle Nord magnétique, il est nécessaire d'observer le champ directement à la surface du noyau. Pour cela, on calcule un modèle empirique de champ en harmoniques sphériques à partir des observations faites au voisinage de la surface de la Terre (au sol et par les satellites), que l'on peut ensuite prolonger jusqu'à la surface du noyau en supposant le manteau peu conducteur. Ce type de modèle a permis de mettre en évidence l'existence d'une zone située sous les îles russes de Nouvelle-Sibérie où le champ magnétique est expulsé du noyau, se traduisant à la surface de la Terre (donc 2 900 km plus haut) par une augmentation de la variation séculaire du champ horizontal dans la zone canadienne.

Afin de comprendre ce qui se passe à l'intérieur du noyau, il est nécessaire de faire appel à des simulations numériques de la géodynamo. De récentes simulations prédisent l'existence de panaches de fluide léger remontant dans un mouvement hélicoïdal depuis la base du noyau jusqu'à sa surface, notamment dans ses régions polaires, et produisant des expulsions de flux similaires à celle qui a été observée dans les années 1990. De tels panaches ont aussi été observés dans des expériences en eau (donc sans champ magnétique), en présence d'une rotation rapide analogue à celle de la Terre. Ces résultats théoriques ont conduit à l'hypothèse selon laquelle l'accélération brutale du pôle dans les années 1990 serait due à l'arrivée à la surface du noyau d'un panache de fluide léger ayant pris naissance au sommet de la graine. Des investigations supplémentaires sont cependant nécessaires pour vérifier cette hypothèse.

—  Arnaud CHULLIAT

BIBLIOGRAPHIE

J. Aubert, G. Hulot & Y. Galet, « La Terre déboussolée », in Pour la Science, dossier no 67, avril-juin 2010

A. Chulliat, G. Hulot & L. R. Newitt, « Magnetic flux expulsion from the core as a possible cause of the unusually large acceleration of the North magnetic pole during the 1990s », in Journ. Geophys. Res., 115, B07101, doi :10.1029/2009JB007143, 2010

J. Ross, Narrative of a second voyage in search of a north-west passage and of a residence in the Arctic regions during the years 1829, 1830, 1831, 1832, 1833 : including the reports of James Clark Ross and the discovery of the northern magnetic pole, Webster, Londres, 1835.

SITES INTERNET

National Ressources Canada (NRCam) : www.gsc.nrcan.gc.ca/geomag/index f.php

Institut de physique du globe de Paris (I.P.G.P.) : www.ipgp.fr

National Oceanic and Atmospheric Administration (N.O.A.A.) :

http ://www.ngdc.noaa.gov/geomag/geomag.shtml

Mission Swarm de l'Agence spatiale européenne : http ://www.esa.int/esaLP/LPswarm.html

Écrit par :

  • : physicien à l'Institut de physique du globe de Paris et à l'université du Colorado, Boulder, États-Unis

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Pour citer l’article

Arnaud CHULLIAT, « PÔLES DÉRIVE DES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 09 décembre 2018. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/derive-des-poles/