GÉOMAGNÉTISME ou MAGNÉTISME TERRESTRE

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Histoire des observations et des mesures du champ magnétique terrestre

Pour caractériser complètement le champ magnétique terrestre en un point de l’espace, il faut le mesurer selon ses trois composantes. Par convention, on note X, Y et Z les composantes du champ magnétique terrestre pointant vers le nord, vers l’est et verticalement vers le bas, respectivement. Le champ peut aussi être défini au moyen d’autres grandeurs : le module, appelé aussi intensité et noté F ; la composante horizontale, notée H ; l’angle par rapport à la direction du nord géographique, appelé déclinaison et notée D ; l’angle par rapport à la verticale, appelé inclinaison et notée I. Toutes ces grandeurs sont appelées les éléments du champ. L’intensité du champ vaut typiquement entre 30 000 et 60 000 nanoteslas (1 nT = 10-9 tesla) à la surface de la Terre, soit environ cent fois moins que le champ à proximité d’un petit aimant.

Éléments du champ magnétique terrestre

Dessin : Éléments du champ magnétique terrestre

Dans ce référentiel, X, Y et Z sont les composantes pointant respectivement vers le nord, vers l'est et verticalement vers le bas, respectivement. F est l'intensité, H la composante horizontale, D la déclinaison et I l'inclinaison. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Si la déclinaison est connue depuis le xie siècle au moins – elle est mentionnée à cette époque dans des écrits du Chinois Shen Kuo –, l’inclinaison n’a été observée qu’en 1544 par Georg Hartmann en Allemagne et en 1581 par Robert Norman en Angleterre, qui fit réellement le lien avec le champ magnétique terrestre. Les premières mesures systématiques de la déclinaison et de l’inclinaison remontent à la seconde moitié du xvie siècle, lorsque la boussole a commencé à être systématiquement utilisée pour la navigation par les Européens. Des séries d’observations plus ou moins régulières ont été réalisées à partir de cette époque dans plusieurs villes d’Europe, notamment à Paris, à Londres, à Édimbourg, à Rome et à Munich. Ces observations étaient largement motivées par la nécessité d’établir des cartes de déclinaison dans les zones de navigation. Les cartes devaient être régulièrement mises à jour afin de tenir compte de la variation lente, dite séculaire, du champ magnétique terrestre (découverte en Angleterre en 1633 par Henry Gellibrand). L’une des premières cartes de déclinaison est celle établie par Edmund Halley en 1701.

Carte de la déclinaison du champ magnétique établie par Edmund Halley

Photographie : Carte de la déclinaison du champ magnétique établie par Edmund Halley

Cette carte de la déclinaison du champ magnétique dans l'océan Atlantique établie de 1698 à 1700 à bord du navire de guerre Paramour Pink a été publiée en 1701 ; elle sera utilisée longtemps après la mort de son auteur. 

Crédits : D.R.

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Un progrès décisif fut apporté à l’observation du champ magnétique terrestre par le mathématicien allemand Carl Friedrich Gauss en 1832, lorsque celui-ci inventa une méthode permettant de mesurer l’intensité du champ. Le géomagnétisme entra alors dans une ère nouvelle. En effet, il devint possible pour la première fois de mesurer toutes les composantes du vecteur champ magnétique en différents points à la surface de la Terre et d’utiliser ces mesures pour déterminer la structure globale du champ à l’aide d’une représentation mathématique, dite en harmonique sphérique. Gauss invente cette représentation à la même époque, mais, de plus, il la met en pratique : aidé par son compatriote et physicien Wilhelm Eduard Weber, il installe à Göttingen le premier observatoire magnétique, c’est-à-dire un ensemble d’instruments permettant de mesurer régulièrement (plusieurs fois par jour à cette époque) le champ magnétique terrestre à l’écart de toute source magnétique non naturelle. Avec le naturaliste Alexander von Humboldt, il a été ensuite à l’origine de l’établissement du premier réseau mondial d’observatoires magnétiques, le Göttinger Magnetischer Verein, qui compta à son apogée, quelques années plus tard, environ cinquante observatoires, dont quinze hors d’Europe.

De nos jours, on dénombre plus de 170 observatoires magnétiques en activité dans le monde, dont 120 environ font partie d’Intermagnet (International real-time magnetic observatory network), le réseau mondial d’observatoires satisfaisant les standards de qualité internationaux. L’instrumentation de base d’un observatoire magnétique est constituée d’un magnétomètre vectoriel triaxe de type « fluxgate », enregistrant les variations des trois composantes du champ géomagnétique une fois par seconde, un magnétomètre scalaire mesurant le module du champ (F) plusieurs fois par minute et un instrument appelé DI-flux constitué d’un théodolite amagnétique sur lequel a été monté un magnétomètre vectoriel mono-axe. Ce dernier instrument est utilisé pour réaliser des mesures absolues du champ géomagnétique, servant à calibrer régulièrement le magnétomètre vectoriel. La précision des mesures dans un observatoire est proche de 1 nanotesla, soit environ 0,002 p. 100 du signal mesuré. Afin d’améliorer la couverture géographique du réseau mondial, plusieurs pays, dont la France, ont des programmes d’installation d’observatoires dans des endroits isolés comme les îles océaniques ou le continent antarctique. Par ailleurs, certains pays maintiennent, sur tout ou partie de leur territoire, un réseau de stations de répétition où des observations complémentaires sont faites à intervalles réguliers (typiquement tous les deux ans).

Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre

Photographie : Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre

L'instrument DI-flux est utilisé à l'Observatoire magnétique national français (situé à Chambon-la-Forêt, Loiret) et dans la plupart des observatoires du réseau Intermagnet pour réaliser des mesures dites « absolues » de la déclinaison et de l'inclinaison du champ magnétique... 

Crédits : A. Chulliat

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Plusieurs satellites ont été lancés depuis les années 1960 dans le but d’améliorer la couverture géographique des observations géomagnétiques : les satellites O.G.O. (Orbiting Geophysical Observatory) de la N.A.S.A. (en usage de 1964 à 1972), qui ne mesuraient que le module du champ, puis les satellites Magsat (Magnetic Field Satellite) de la N.A.S.A., (en usage en 1979 et en 1980), Ørsted (DTU Space, Danemark, en usage de 1999 à aujourd’hui) et Champ (Challenging Minisatellite Playload) du GFZ (Allemagne), en usage de 2000 à 2010, qui ont mesuré les trois composantes du champ en orbite polaire basse. L’apport de ces missions a été considérable. Ainsi, Magsat a permis pour la première fois de cartographier à l’échelle globale le champ de la croûte terrestre et de montrer que celui-ci dominait le champ du noyau pour les échelles spatiales inférieures à 2 900 kilomètres environ (à l’équateur). Les mesures enregistrées par les satellites Ørsted et Champ ont été à l’origine de multiples avancées, notamment dans notre connaissance des petites échelles de la variation séculaire et du champ de la croûte, et dans notre connaissance des divers systèmes de courants électriques circulant dans les couches ionisées de l’atmosphère. La mission Swarm a été lancée par l’Agence spatiale européenne en novembre 2013. Constituée de trois petits satellites, elle vise à poursuivre le suivi depuis l’espace de la variation séculaire géomagnétique et à améliorer notre connaissance des différentes sources grâce à une meilleure séparation de leurs contributions respectives.

Les données recueillies par les observatoires et à bord des satellites sont complétées par les nombreux levés aéromagnétiques réalisés pour les besoins de l’exploration géophysique, ainsi que par les profils magnétiques établis lors des campagnes géophysiques en mer. Ces données fournissent des informations très précieuses sur les petites échelles du champ magnétique de la croûte, non détectables depuis les satellites.

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Éléments du champ magnétique terrestre

Éléments du champ magnétique terrestre
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Carte de la déclinaison du champ magnétique établie par Edmund Halley

Carte de la déclinaison du champ magnétique établie par Edmund Halley
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Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre

Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre
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Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique
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  • : 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, « GÉOMAGNÉTISME ou MAGNÉTISME TERRESTRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 05 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/geomagnetisme-magnetisme-terrestre/