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Nouveaux regards sur le champ géomagnétique

Publié en ligne le 2 avril 2015 -
par Georges Jobert

La connaissance des propriétés de l’intérieur de la Terre a fait des progrès considérables ces dernières années, en particulier grâce à à l’augmentation de la puissance des ordinateurs qui permettent aux géophysiciens de résoudre numériquement les équations du mouvement d’un fluide hétérogène avec des maillages de plus en plus fins. On peut ainsi passer de la prévision météorologique, pour l’atmosphère, à celle des variations du champ géomagnétique, pour la sidérosphère. Dans les deux cas, la rotation de la Terre joue un rôle essentiel, mais dans le second, c’est à la magnéto-hydrodynamique que l’on a affaire. Nous nous limiterons ici à deux résultats récents, renvoyant à un dossier très complet établi en 2010 par la revue Pour la Science [1].

La graine, partie centrale solide du noyau métallique de rayon moyen 1221 km, serait fortement anisotrope (c’est-à-dire que ses propriétés dépendent de la direction). En plus de l’aplatissement polaire dû à la rotation, elle présente une dissymétrie hémisphérique. Dans la zone équatoriale, d’environ 40° à 180° Est, elle croîtrait plus rapidement grâce à une cristallisation plus rapide du fer. Ceci serait dû à la présence d’une zone froide à la base du manteau, correspondant à l’Indonésie en surface, sans doute les vestiges d’une plaque tectonique qui y aurait plongé, il y a une ou deux centaines de millions d’années. 1 Une expérience 2 sur modèle analogique semble valider cette hypothèse qui n’a cependant pas encore été testée par simulation numérique.

Passage rapide, pour un pôle magnétique, d’un pôle géographique à l’autre

Ces dernières années, de nombreuses études ont porté sur les inversions de la composante 3 dipolaire, qui constitue 85% du champ en surface. Un pôle magnétique passe alors d’une zone géographique polaire à l’autre. Ce type de phénomène est bien reproductible dans des simulations numériques ou analogiques.

De nombreux auteurs [2] ont montré que ces inversions peuvent se produire très rapidement. Des chercheurs de diverses universités italiennes, brésilienne, états-uniennes et du Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement du CNRS, viennent de donner [3] une représentation remarquablement détaillée du processus à l’œuvre dans la dernière inversion, celle de Matuyama-Brunhes 4 qui s’est produite vers 786 000 avant notre ère.

Les résultats montrent deux périodes où l’intensité de l’aimantation acquise passa par un minimum ; à la fin de la dernière, la direction du champ changea d’environ 180° à un taux d’environ 2°/an, sans que les pôles géomagnétiques virtuels 5 correspondants aient une direction intermédiaire. La transition a été précédée par une excursion du pôle, en direction de l’Australie durant environ 3000 ans, et suivie par un "rebondissement" traduisant l’instabilité de la dynamo à l’origine du champ. Ce phénomène avait été signalé dans une étude de J.P.Valet et al. [4]

Trajectoire du pôle géomagnétique virtuel reconstruit à partir de données paléomagnétiques obtenues dans le bassin sédimentaire de Sulmona (Apennins). Elle montre le passage rapide du pôle N magnétique de sa position antérieure dans l’Antarctique à une position voisine de l’actuelle, dans le Canada.

Variation séculaire 6 et force de Coriolis

La rotation de la Terre autour d’un axe mobile - tant dans elle-même que dans l’espace - joue un rôle important dans la plupart des phénomènes géophysiques. La Terre est composée de parties déformables de façon très différente : relativement peu pour le manteau et le noyau interne ou graine, beaucoup pour le noyau externe et l’hydrosphère, et encore plus pour l’atmosphère. Toutes ces parties sont étroitement couplées par différentes interactions : mécaniques (frottement), physiques (gravité, électromagnétisme, thermique), chimiques (solubilité…).

Quand on étudie les mouvements d’un corps dans un système lui-même en rotation, il faut tenir compte d’accélérations dues à cette dernière. Il revient au même de ne considérer que le mouvement relatif du corps en introduisant les forces correspondantes : force centrifuge, dépendant de la distance à l’axe de rotation, et force de Coriolis, dépendant de la vitesse relative.

Cette dernière joue un rôle essentiel dans une théorie de la variation séculaire du champ géomagnétique récemment présentée, dans un article à Nature [5], par deux chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et un chercheur danois. Les mécanismes essentiels sont d’une part un couplage gravitationnel entre la graine et le manteau, produisant dans le noyau externe un gigantesque tourbillon dérivant vers l’ouest ; de l’autre pour la graine, une croissance dissymétrique, plus rapide sous l’Indonésie, qui provoque une excentricité du tourbillon.

Les résultats obtenus reproduisent très bien l’évolution observée de la variation séculaire 7.

La figure présente un schéma de la circulation dans le manteau externe b) du fluide c) de la structure magnétique qui l’accompagne (lignes de force). Haut : vue du pôle N, bas : vue au voisinage de l’équateur.

On assiste ainsi à une évolution holistique des conceptions sur le fonctionnement de notre planète, initialement dérivées dans chacune des disciplines fondées sur des classes séparées de phénomènes : climatologie, sismologie, volcanologie, tectonique, géomagnétisme, cristallographie... Des interactions nouvelles entre les différentes parties de la Terre sont mises en évidence : rôle du volcanisme dans le dégel de la Terre boule de glace, il y a 650 Ma ; rôle de la position des plaques continentales sur le climat ; modification de la circulation dans le noyau due aux plaques continentales froides qui ont atteint sa surface - et donc effet sur le géomagnétisme ; éjection, à la surface de la graine, d’éléments légers lors de la cristallisation du fer, participant, avec l’évacuation de la chaleur (ou enthalpie) de solidification, à l’établissement de courants de convection dans le noyau externe.

Références

[1] Dossier 67, 2010.
[2] Par exemple : Coe R.S., Prevot M., Camps P., New evidence for extraordinarily rapid change of the geomagnetic-field during a reversal. Nature 1995 ;374:687-692.
[3] L. Sagnotti, G. Scardia, B.Giaccio, J..Liddicoat, S.Nomade, P.R.Renne, C.J.Sprain : Extremely rapid directional change during Matuyama-Brunhes geomagnetic polarity reversal, Geophys.J.Int., 2014,199,1110-1124.
[4] Valet J.-P., Fournier A., Courtillot V. et Herrero-Bervera E., Dynamical similarity of geomagnetic fiels reversals, Nature, 490, 89-94.
[5] Aubert J., Finlay C.C., Fournier A., Bottom-up control of geomagnetic secular variation by the Earth’s inner core, : Nature 502, 219-223.

1 Ce type d’explication avait été signalé dans le N° 300 (avril 2012) de Science et pseudo-sciences, où l’on rappelait aussi les propriétés principales du champ géomagnétique.

2 Cuve d’eau hémisphérique en rotation dont la surface est refroidie et où est injecté un marqueur coloré.

3 Composante qui correspond au champ créé par deux pôles magnétiques opposés, comme ceux d’un aimant.

4 Ainsi nommée après la découverte, en 1905, par B. Brunhes, de l’aimantation inverse de certaines roches volcaniques au Puy de Dôme.

5 On appelle virtuel un pôle déterminé à partir d’une seule observation, en la considérant comme due à un champ purement dipolaire, en négligeant donc les harmoniques de degré supérieur à 2.

6 La variation séculaire du champ magnétique terrestre provoque une dérive vers l’ouest des isogones (courbes d’égale déclinaison). Cette dérive avait été signalée dès les premières cartes de la déclinaison dressées en 1590 par Halley.
Voir par exemple J.L.Le Mouël Le champ géomagnétique in Traité de Géophysique interne, tome 2, J. Coulomb, G. Jobert.

7 On en trouvera une vidéo dans http://www.insu.cnrs.fr/node/4553 ; cet article pourrait faire croire – à tort – que la force de Coriolis n’avait pas été prise en compte avant ce travail.


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