GÉOMAGNÉTISME ou MAGNÉTISME TERRESTRE

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Modélisation géomagnétique

Le champ géomagnétique est la superposition de plusieurs champs, générés par des sources différentes. Par conséquent, il est difficile d’interpréter une mesure isolée du champ géomagnétique : quelle partie provient du champ magnétique du noyau, des courants de la croûte terrestre ou des courants électriques externes à la Terre ? Une approche couramment utilisée pour résoudre ce problème consiste à calculer une représentation mathématique du champ, appelée « modèle géomagnétique », séparant les contributions des différentes sources.

Les modèles géomagnétiques font appel à des outils mathématiques complexes qui sortent du cadre de cet article.

Plusieurs groupes de recherche dans le monde calculent régulièrement de nouveaux modèles de champ à partir des données magnétiques les plus récentes. Certains de ces modèles sont destinés à un usage opérationnel, par exemple le World Magnetic Model (W.M.M.), développé conjointement par la National Oceanic and Atmospheric Administration (N.O.A.A.) américaine et le British Geological Survey, qui est implanté notamment dans les logiciels de vols utilisés par l’aviation civile mais aussi dans les smartphones dotés d’un compas magnétique. Des modèles à plus haute résolution sont développés pour l’étude du champ magnétique de la croûte. Tous les cinq ans, la communauté scientifique internationale calcule un modèle de référence appelé International Geomagnetic Reference Field (I.G.R.F.), qui décrit très précisément le champ géomagnétique interne et la variation séculaire de ce champ pour les cinq années suivantes. Le dernier modèle de ce type, l’I.G.R.F.-12, a été calculé à la fin de 2014 avec une validité jusqu’en 2020 ; il succède à l’I.G.R.F.-11 qui datait de décembre 2009.

Le champ magnétique du noyau

Le champ magnétique du noyau, appelé aussi champ principal, représente plus de 99 p. 100 du champ géomagnétique global de la Terre. En première approximation, le champ du noyau a une structure dipolaire et peut ainsi être comparé à celui d’un aimant « classique » qui serait placé au centre de la Terre avec un pôle Nord et un pôle Sud et serait incliné d’un angle d’environ 100 par rapport à l’axe de rotation de la Terre (en 2010, selon le modèle I.G.R.F.-11).

Les points d’intersection de l’axe du dipôle avec la surface de la Terre sont appelés « pôles géomagnétiques ». Ils sont distincts des « pôles magnétiques » du noyau, définis comme les points à la surface de la Terre où le champ est exactement vertical (cf. dérive des pôles), et dont la localisation dépend des termes non dipolaires du champ du noyau. La structure à très grande échelle du champ géomagnétique est clairement dipolaire comme on peut le constater sur la carte de l’inclinaison du champ actuel à partir du modèle W.M.M., mais des écarts importants existent :

Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Dessin : Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Ces cartes de  l'inclinaison, de la déclinaison et de l'intensité du champ géomagnétique en 2010 calculées à partir du modèle W.M.M. La courbe (verte), où l'inclinaison est nulle, est l'équateur magnétique (a). Le pôle magnétique Sud est le point au large de l'Antarctique où... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– les pôles magnétiques (où l’inclinaison vaut ± 900 et la déclinaison n’est pas définie) ne sont pas exactement antipodaux (contrairement aux pôles géomagnétiques) ;

Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Dessin : Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Ces cartes de  l'inclinaison, de la déclinaison et de l'intensité du champ géomagnétique en 2010 calculées à partir du modèle W.M.M. La courbe (verte), où l'inclinaison est nulle, est l'équateur magnétique (a). Le pôle magnétique Sud est le point au large de l'Antarctique où... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– l’équateur magnétique, défini comme le lieu où l’inclinaison est nulle, n’est pas exactement circulaire, notamment au niveau de l’Amérique du Sud (fig 2a) ;

– l’intensité est minimale dans une zone centrée sur l’Amérique du Sud, vers le Paraguay, et appelée « anomalie de l’Atlantique sud », au lieu de l’être le long de l’équateur magnétique.

Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Dessin : Cartes de l’inclination, de la déclinaison et de l’intensité du champ magnétique

Ces cartes de  l'inclinaison, de la déclinaison et de l'intensité du champ géomagnétique en 2010 calculées à partir du modèle W.M.M. La courbe (verte), où l'inclinaison est nulle, est l'équateur magnétique (a). Le pôle magnétique Sud est le point au large de l'Antarctique où... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le champ du noyau est lentement variable, à un taux compris entre 0 et  200 nT/an à la surface de la Terre. Cette variation séculaire présente plusieurs caractéristiques notables :

– les pôles magnétiques se déplacent, en particulier le pôle Nord situé dans l’océan Arctique, qui se dirige vers la Russie à 55 km/an environ ;

– l’anomalie de l’Atlantique sud s’élargit et l’intensité du champ en son centre décroît depuis au moins plusieurs décennies ;

– l’amplitude du dipôle (c’est-à-dire l’intensité globale du champ géomagnétique) décroît régulièrement depuis le milieu du xixe siècle, au rythme de 6 p. 100 par siècle environ ;

– dans l’hémisphère atlantique, les lignes d’égale déclinaison se déplacent lentement vers l’ouest depuis 400 ans, une « dérive vers l’ouest » découverte par Halley dès 1683 ;

– la variation séculaire varie elle aussi et son taux de variation, ou accélération séculaire, change parfois soudainement, en moins d’une année ; on parle alors de « jerk géomagnétique ».

L’explication de chacune de ces observations doit être recherchée dans le noyau. Le champ est beaucoup plus intense à la surface du noyau qu’à la surface de la Terre, atteignant 106 nT en certains endroits. Sa structure spatiale est complexe, avec plusieurs zones de polarité inverse par rapport à celle normalement attendue pour un champ dipolaire, notamment sous l’anomalie de l’Atlantique sud. En prolongeant un modèle géomagnétique jusqu’à la surface du noyau, il est possible de calculer les mouvements du fluide dans le noyau responsables de la variation séculaire observée. Cette approche a notamment permis de montrer qu’une partie de la variation séculaire est vraisemblablement générée par des ondes dites de torsion à l’intérieur du noyau, les mêmes ondes ayant par ailleurs un effet mesurable sur les fluctuations de la longueur du jour.

Le champ magnétique du noyau repose sur la théorie de la géodynamo : ce sont les mouvements convectifs de matière dans le noyau qui créent le champ. La variation séculaire n’a été observée en détail que sur une très courte fenêtre de temps par rapport à l’échelle de temps de la géodynamo, qui va jusqu’à plusieurs dizaines de millions d’années. La théorie de la géodynamo repose sur ces observations, très détaillées mais très courtes, et sur celles du paléomagnétisme, beaucoup plus parcellaires mais remontant jusqu’à plusieurs milliards d’années. Il est désormais admis que l’énergie mécanique nécessaire à la géodynamo est fournie par la convection thermique dans le noyau, qui permet l’évacuation de la chaleur de la graine et du noyau vers le manteau, et par la convection solutale, qui est entraînée par les éléments légers relâchés lors de la cristallisation fractionnée de la graine. Des simulations numériques de plus en plus détaillées de la géodynamo sont capables de reproduire l’allure générale du champ à la surface du noyau, certaines propriétés de la variation séculaire, ainsi que les inversions géomagnétiques. Néanmoins des questions fondamentales restent à résoudre, notamment en ce qui concerne les échelles spatiales des mouvements dans le noyau, le rôle de la graine et une possible stratification du noyau sous la frontière noyau-manteau.

Simulation numérique du champ magnétique terrestre

Photographie : Simulation numérique du champ magnétique terrestre

Structure du champ magnétique dans une simulation numérique de la géodynamo reproduisant une inversion. Le champ magnétique est représenté sous la forme de lignes de champ, définies comme des courbes tangentes en chaque point au champ magnétique. Les lignes bleues correspondent au champ... 

Crédits : G.A. Glatzmaier/ D.R.

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Le champ magnétique des autres sources

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Éléments du champ magnétique terrestre

Éléments du champ magnétique terrestre
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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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
Crédits : D.R.

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Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre

Instrument DI-flux de mesure du champ magnétique terrestre
Crédits : A. Chulliat

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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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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, « GÉOMAGNÉTISME ou MAGNÉTISME TERRESTRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/geomagnetisme-magnetisme-terrestre/