6 Octobre 2014

Le champ magnétique, bouclier protecteur de la Terre

Qu'est-ce que le champ magnétique de la Terre ?

Le champ magnétique de la Terre est produit par l'ensemble des sources magnétiques - courants électriques ou matière aimantée - que l'on trouve à l'intérieur de la Terre, à sa surface et dans son environnement spatial proche. De loin le plus important, le champ produit par la géodynamo au cœur de la Terre est responsable de la structure principalement dipolaire qui oriente les boussoles vers le Nord. Il se comporte en première approximation comme le champ d'un aimant droit incliné actuellement d'environ 10 degrés par rapport à l'axe Nord-Sud de la Terre. Ce champ "principal" provient du noyau et constitue un bouclier protecteur contre les rayonnements cosmiques et les particules chargées du vent solaire. Il est aussi responsable de l'existence de nombreuses autres sources secondaires.

D'où vient le champ magnétique terrestre ?

A 2 900 km sous nos pieds se cache le noyau de la Terre, principalement constitué d'un alliage de fer et de nickel. Sa partie centrale, la graine, est solide. Sa partie externe est encore fondue et très chaude (entre 4 000 °C et 6 000 °C). Se refroidissant très lentement depuis la formation de la Terre il y 4,5 milliards d'années, ce noyau "externe" est animé de mouvements de convection à l'origine d'un mécanisme de dynamo auto-entretenue, qui est la source du champ magnétique principal. Ce champ principal est aussi, mais indirectement, à l'origine des autres sources de champ magnétique que l'on trouve sur Terre.
Ainsi, une petite partie du champ magnétique terrestre provient des roches de la croûte terrestre, partiellement aimantées. Une autre partie très dynamique du champ provient de courants électriques que l'on trouve dans l'ionosphère (électriquement très conductrice) et dans la magnétosphère (parcourue par des particules chargées).
Ces courants apparaissent du fait de l'interaction complexe entre le champ magnétique principal, l'ionosphère et le vent solaire. Ils provoquent également l'apparition d'autres courants électriques dans la croûte et le manteau terrestre, eux aussi conducteurs. Enfin, même les océans (eux-mêmes conducteurs) sont parcourus par de faibles courants électriques, constituant une source de champ magnétique.

Que se passerait-il s'il disparaissait ?

Il n'est pas impossible qu'un jour la géodynamo cesse de fonctionner, comme cela s'est produit pour la dynamo de Mars. Ceci est cependant peu plausible à l'échelle des milliards d'années qui nous séparent de l'âge de la fin du système solaire. Si une telle éventualité devait se produire, notre planète ne serait plus protégée contre le vent solaire. Ce dernier frapperait alors de plein fouet l'atmosphère terrestre, qui resterait notre ultime rempart, provoquant un accroissement des aurores boréales, une modification des courants électriques circulant dans l'ionosphère et l'environnement spatial proche, et une plus forte exposition de la Terre aux rayonnements. Des modifications importantes finiraient par se produire dans l'atmosphère, et dans le monde vivant, mais sur des échelles de temps longues. A court terme, la conséquence serait par contre majeure pour notre civilisation.
En effet, celle-ci s'appuie désormais massivement sur une technologie, spatiale et terrestre, qui compte beaucoup sur la protection offerte par le champ magnétique principal.

Le champ magnétique est-il constant ?

On a la preuve que le champ magnétique terrestre est présent depuis plus de trois milliards d'années et il y a lieu de penser que la géodynamo s'est mise en route avec la formation du noyau, très peu de temps après celle de la Terre. On sait cependant aussi que le champ est très dynamique à toutes les échelles de temps. A l'échelle humaine, par exemple, le champ varie de manière tout à fait significative. Ainsi, les pôles magnétiques Nord et Sud, définis comme les points à la surface de la Terre où le champ magnétique est exactement vertical, ne sont pas antipodaux. Le pôle magnétique Nord se trouve au-delà du Grand Nord canadien, actuellement à plus de 85° de latitude Nord géographique, tandis que le pôle magnétique Sud se trouve au large de la base française de Dumont d'Urville en Antarctique, à seulement 65° de latitude Sud. Ces pôles bougent aux cours des âges de manière irrégulière. Au cours des années 1990, le pôle magnétique Nord, qui se déplaçait à une vitesse de l'ordre de 15 km par an, s'est ainsi mis à se déplacer à une vitesse bien supérieure, à près de 60 km par an.
Une autre manifestation particulièrement importante de la dynamique du champ magnétique est la présence d'une très forte anomalie, dite "anomalie de l'Atlantique Sud", où le champ est nettement plus faible. Cette anomalie évolue elle aussi.
Grâce aux précédentes missions spatiales, il a ainsi pu être constaté qu'au cours des 30 dernières années, elle s'est encore étendue et l'intensité du champ magnétique y a diminué de près de 5%. Ceci n'est pas sans conséquence sur les satellites évoluant en orbite basse, qui souffrent beaucoup plus des rayonnements dans cette zone.

Et s'il s'inversait ?

Par le passé, le champ principal s'est déjà inversé... et à de nombreuses reprises ! On le sait grâce à l'étude des roches aimantées par le champ magnétique ancien. Ces roches révèlent par exemple qu'il y a 780 000 ans, les pôles magnétiques Nord et Sud se sont inversés.
Elles montrent aussi qu'une précédente inversion s'était produite il y a 900 000 ans, et que d'autres encore se sont produites auparavant, de manière très irrégulière, tous les 200 000 ans en moyenne. Les études montrent que ces inversions se produisent à l'échelle de plusieurs milliers d'années et sont toujours précédées d'une décroissance importante de l'intensité du champ principal. Aujourd'hui le champ décroît assez rapidement (il a perdu environ 6% de son intensité en un siècle), mais conserve néanmoins une intensité bien supérieure à celle que l'on observe avant que ne débute une inversion. Il n'est d'ailleurs pas exclu qu'il reprenne de la vigueur dès le siècle prochain. Même si une inversion ne manquera pas de se produire un jour, il est donc peu plausible que cela soit avant plusieurs milliers d'années. De ce point de vue, le problème de l'extension et de l'évolution de l'anomalie de l'Atlantique Sud est bien plus immédiat ! Lorsque la prochaine inversion se produira, il sera cependant important de s'y adapter. L'intensité du champ diminuera jusqu'à moins de 10% de sa valeur actuelle. Progressivement, les pôles magnétiques Sud et Nord se scinderont en plusieurs pôles, qui entameront une migration complexe vers leur hémisphère opposé, où, à l'issue de l'inversion, ils se réuniront à nouveau en un seul pôle. Le champ se mettra alors à recroître dans la nouvelle polarité.
Durant ce long épisode, la faiblesse du champ et son caractère multipolaire modifieront considérablement la façon dont le champ interagit avec le vent solaire. La magnétosphère sera beaucoup plus facilement agitée et le "bouclier magnétique", affaibli, produira des aurores boréales en plus grand nombre, tandis que des orages magnétiques très intenses pourront se développer. La technologie sensible à ces orages, ainsi qu'aux rayonnements, que cela soit au sol ou dans l'espace proche, devra impérativement être adaptée. Les êtres vivants seront également plus exposés aux rayonnements.

Pas de boussole sans carte

Une boussole indique la direction du champ magnétique local, et ne pointe en général que très approximativement vers le pôle Nord magnétique.
Par contre, en suivant à tout instant la direction donnée par une telle boussole, on parvient inéluctablement au pôle Nord magnétique.
On peut bien sûr également utiliser la boussole pour connaître la direction du Nord géographique. Pour cela, cependant, il est indispensable de connaître la valeur de l'angle entre la direction donnée par la boussole et celle du Nord géographique, que l'on appelle la déclinaison, pour corriger d'autant la direction donnée par la boussole. Cet angle varie selon l'endroit où l'on se trouve à la surface de la Terre, et varie dans le temps. Pour s'orienter précisément avec une boussole, il faut donc aussi disposer d'une carte suffisamment récente !

Le saviez-vous ?

  • La première localisation directe du pôle Nord magnétique date de 1831. Il était alors à environ 70°N, 97°W. En 2010, ce pôle était à 85°N, 133°W et s'était donc déplacé de près de 2 000 km.
  • Les numéros inscrits sur les pistes d'aéroports sont fonction de la déclinaison magnétique locale et doivent donc être repeints régulièrement du fait de l'évolution de la direction du champ.
  • En 1989, un violent orage magnétique a mis hors service le réseau électrique du Québec, plongeant toute la province canadienne dans l'obscurité pendant 9 heures. L'aurore boréale générée par cet orage était visible jusqu'en Floride et à Cuba.