Prédire le comportement futur du champ magnétique terrestre

Cette visualisation des mouvements tourbillonnaires à l’intérieur du noyau de la Terre a été estimée à partir d’un modèle informatique de l’effet dynamo, le mécanisme par lequel les mouvements de convection du fer liquide dans le noyau produisent le champ magnétique terrestre.
Photo: Julien Aubert, IPGP/CNRS Cette visualisation des mouvements tourbillonnaires à l’intérieur du noyau de la Terre a été estimée à partir d’un modèle informatique de l’effet dynamo, le mécanisme par lequel les mouvements de convection du fer liquide dans le noyau produisent le champ magnétique terrestre.
Bouclier invisible, le champ magnétique terrestre nous protège des rayonnements cosmiques et des vents solaires qui bombardent notre planète. Mais voilà que son intensité diminue et que le pôle Nord magnétique ne cesse de migrer. Deux phénomènes qui prédisposent à une inversion des pôles. Sommes-nous vraiment à la veille d’une inversion ? Les chercheurs s’efforcent de faire des prédictions.
 

L’intensité du champ magnétique terrestre décroît depuis environ cinq siècles. Depuis l’invention du magnétomètre par Carl Friedrich Gauss en 1840, elle a diminué de 9 %. Si cette décroissance se poursuit, elle pourrait affecter sérieusement le fonctionnement des satellites, et même aboutir à une inversion des pôles, d’où l’importance de prédire les variations du champ magnétique terrestre.

Julien Aubert, géophysicien à l’Institut de physique du globe de Paris et chercheur au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de France, s’est justement appliqué à prédire le comportement futur du champ magnétique terrestre. Pour ce faire, il a utilisé des modèles de simulation numérique de l’effet dynamo en action au coeur de la Terre, effet dynamo qui est à l’origine du champ magnétique entourant notre planète.

À 2900 kilomètres sous nos pieds, dans la partie externe du noyau, le fer liquide — qui est un matériau électriquement chargé et conducteur — est emporté dans de violents mouvements de convection, lesquels génèrent un champ magnétique par effet dynamo. « La circulation [du fer liquide] à la frontière entre le noyau et le manteau — qui n’est pas conducteur de l’électricité — va conditionner le champ magnétique que nous voyons partout à la surface de la Terre, explique le géophysicien. Nous disposons de simulations informatiques de ce phénomène qui fonctionnent très bien. Et nous les alimentons avec des mesures réelles du champ magnétique nous venant des satellites de façon à pouvoir connaître le passé et prédire le futur. »

C’est ainsi que Julien Aubert a pu prédire que l’intensité du champ magnétique terrestre continuera de décroître au cours des cent prochaines années. Au-delà de 2115, « les prédictions obtenues par les différents modèles divergent. La marge d’erreur devient supérieure à la variation du champ magnétique que l’on cherche à prédire parce que l’effet papillon prend le dessus », souligne M. Aubert.

Les prédictions de M. Aubert indiquent également que l’anomalie de l’Atlantique Sud continuera de se creuser et de dériver vers l’ouest. L’anomalie de l’Atlantique Sud est une zone au-dessus de l’Amérique du Sud et de l’Atlantique Sud où l’intensité du champ magnétique est beaucoup plus faible que sur le reste de la Terre. En raison de cette anomalie, la Terre est beaucoup moins protégée contre les vents solaires à cet endroit. Les satellites qui volent à basse altitude et qui tournent autour de la Terre subissent un taux de pannes beaucoup plus important quand ils passent dans l’Atlantique Sud justement parce qu’ils sont très exposés aux vents solaires. Les stratégies utilisées pour se prémunir contre cette anomalie consistent essentiellement à doubler, voire tripler les instruments cruciaux. Les trois satellites qui ont été lancés en orbite le 22 novembre 2013, dans le cadre de la mission SWARM de l’Agence spatiale européenne qui étudie le champ magnétique de la Terre, ont déjà subi plusieurs pannes, mais jamais encore de pannes doubles, ce qui fait que l’on a continué d’obtenir des mesures, raconte M. Aubert tout en soulignant la nécessité de prédire le devenir de cette anomalie pour la planification des prochaines missions satellitaires.

En plus de s’amplifier, l’anomalie de l’Atlantique Sud devrait se retrouver au-dessus du Pacifique Sud, au large du Chili, dans 100 ans. Cette dérive est due au tourbillon agitant le fer liquide à la surface du noyau, précise le géophysicien.

Inversion des pôles

Si l’intensité du champ magnétique continue de décroître, viendra un moment où elle sera si faible qu’il y aura une inversion des pôles. « Il y en a quelques-unes par million d’années. Il se passe en moyenne de 100 000 à 250 000 ans entre deux inversions. Sachant que la dernière s’est produite il y a 780 000 ans, d’un point de vue purement statistique, nous sommes déjà en retard pour la prochaine. Ce qui ne veut toutefois pas dire qu’elle arrivera demain », affirme M. Aubert.

« Si on poursuit la décroissance que l’on observe aujourd’hui à raison d’une diminution de 10 % en 200 ans, l’inversion hypothétique se produirait d’ici 2000 ans. Mais il y a toujours la possibilité que le champ magnétique se remette à croître avant d’atteindre le zéro, et cela, nous sommes absolument incapables de le prédire parce que nous sommes alors dans la zone de l’effet papillon », avance le chercheur.

En effet, des mesures paléomagnétiques et archéomagnétiques (voir encadré) ont permis de savoir qu’au cours de l’histoire de la Terre, le champ magnétique a connu une alternance de phases de décroissance et de croissance sans que ne surviennent d’inversions. « En analysant des coulées de lave, on peut remonter très loin dans le passé, ce qui a permis de constater qu’il y a eu beaucoup de fluctuations du champ magnétique terrestre. De plus, la moyenne du champ qui a prévalu [dans ce lointain passé] était plus faible que l’intensité que nous connaissons aujourd’hui. Même si le champ magnétique décroît et continue à décroître, nous sommes encore très au-dessus de la moyenne des cinq derniers millions d’années », indique le scientifique.

« Les courbes paléomagnétiques montrent aussi qu’il y a eu des époques où le champ magnétique a décru jusqu’au moment où une inversion s’est produite. Lors d’une inversion, le champ magnétique décroît jusqu’à devenir presque nul et recroît dans l’autre sens, c’est-à-dire que le pôle Nord passe au Sud et le pôle Sud passe au Nord », rappelle M. Aubert.

Pour leur part, les études archéomagnétiques ont montré que durant le premier millénaire et demi après Jésus-Christ, le champ magnétique terrestre est demeuré relativement stable. Depuis 1500, il décroît de manière convaincante, et cette décroissance s’est poursuivie jusqu’à aujourd’hui.

« Même si le champ magnétique décroît, il ne deviendra jamais complètement nul. Lorsque le champ magnétique s’est inversé il y a 780 000 ans, la portion du champ magnétique qu’on appelle dipolaire, et qui représente environ 90 % de l’intensité du champ magnétique total sur la Terre, a beaucoup diminué, mais les autres composantes du champ, qui ne sont pas dipolaires, ont subsisté [et ont ainsi fourni une certaine protection] », souligne Guillaume St-Onge. Ce chercheur de l’Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) et du GEOTOP prélève des carottes de sédiments dans les fjords et les fonds marins de l’Arctique dans le but de reconstituer les variations d’orientation et d’intensité du champ magnétique terrestre au cours du temps. « Nous avons ainsi pu reconstituer la position du pôle Nord magnétique au cours des deux derniers milliers d’années », dit-il avant de préciser que le pôle Nord magnétique est actuellement situé en plein coeur de l’océan Arctique, pas très loin du Nord géographique. « Durant les trois ou quatre derniers siècles, il se trouvait dans l’archipel Arctique canadien, mais depuis les années 1970, il migre vers la Sibérie à raison de 50 à 60 km par an », précise-t-il.

Actuellement, le pôle magnétique se promène. L’intensité du champ magnétique décroît. Nous sommes sur la voie d’une inversion, mais rien n’empêche que cette décroissance de l’intensité du champ se transforme en croissance. Tout est possible. C’est l’effet papillon qui en décidera !

Une animation des courbes d’intensité du champ magnétique à la surface de la Terre (exprimée en micro-teslas), à partir de 2015 et jusqu’en 2115 dans le cadre d’une prédiction par assimilation de données géomagnétique. L’anomalie est représentée par les lignes en bleu sombre.

Aurores boréales et australes

Le champ magnétique terrestre dévie la majorité des particules solaires provenant du Soleil. Certaines sont toutefois piégées par ce même champ magnétique. Les aurores boréales et australes sont provoquées par ces particules qui sont ensuite attirées par les pôles.

La magnétosphère

Le champ magnétique de la Terre crée ce qu’on appelle la magnétosphère, une sorte de sphère invisible et protectrice autourde notre planète. La magnétosphère repousse les particules chargées électriquement qu’émet le Soleil. « Si elles n’étaient pas arrêtées, ces particules affecteraient la biosphère, et elles pourraient engendrer des surtensions dans les grandes infrastructures électriques, et provoquer des pannes sur les satellites qui tournent autour de la Terre », souligne Julien Aubert de l’Institut de physique du globe de Paris.

Le champ magnétique terrestre est dominé par un dipôle dans lequel le champ magnétique généré dans le noyau de la Terre sort du pôle magnétique Sud, survole la Terre et rentre au pôle Nord magnétique. Cechamp dipolaire ressemble à un aimant avec un pôle Nord et un pôle Sud. Dans un dipôle, l’intensité du champ magnétique est la plus grande aux pôles magnétiques et la plus faible à l’équateur.

Paléomagnétisme et archéomagnétisme

Lorsque la lave est chaude, les minéraux de fer qu’elle contient s’alignent sur le champ magnétique de la Terre, mais lorsqu’elle se refroidit, vient un moment où ces particules magnétiques ne peuvent plus bouger et sont piégées dans la position du champ magnétique. C’est ainsi qu’elles gardent en mémoire l’intensité et la direction du champ magnétique terrestre auquel elles étaient soumises.

Les vestiges archéologiques, comme des poteries qui ont été cuites dans les fours, peuvent aussi piéger le champ magnétique qui sévit autour d’elles quand elles se refroidissent. L’étude des empreintes du champ magnétique enregistrées dans de tels vestiges s’appelle l’archéomagnétisme. L’archéomagnétisme nous permet de connaître le champ magnétique durant la période humaine, tandis que le paléomagnétisme nous informe sur la période préhumaine.
1 commentaire
  • Luc Le Blanc - Abonné 20 février 2016 10 h 42

    Paléomagnétisme, paléopluviométrie et spéléologie

    En 1982, j'avais participé à une expédition scientifique dans les grottes du premier canyon de la rivière Nahanni dans les Territoires du Nord-Ouest. Munis d'une scie rotative à béton, nous avions la mission de prélever un échantillon vertical d'un plancher stalagmitique. Sachant que les particules magnétiques au sein de la solution de calcaire dissous se seraient naturellement orientées selon le champ magnétique terrestre avant d'être figées par cristallisation, l'étude des strates de déposition permettait de déterminer la pluviométrie au fil du temps, attendu que nous connaissons déjà la variation d'orientation et les inversions du champ magnétique terrestre durant la même période. Nous avions localisé un plancher suspendu un mètre au-dessus de celui d'une grande salle et il nous fallut faire vite pour réaliser ces deux coupes en biseau avant dêtre asphyxiés. Nous pûmes ainsi récolter une pointe d'une dizaine de centimètre de côté sur près d'un mètre d'épaisseur. Un lourd et précieux bagage à main qui fut ensuite ramené au laboratoire.