- Champ magnétique de la terre
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Champ magnétique terrestre
Le champ magnétique terrestre est un immense champ magnétique qui entoure la Terre de manière non circulaire .
Le champ magnétique terrestre peut être vu comme celui d'un aimant droit.
Variation modélisée du champ magnétique terrestre face à une tempête de "vent solaire"Sommaire
Origine
Article détaillé : Dynamo terrestre.Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements du noyau métallique liquide des couches profondes de la Terre. Selon les études de John Tarduno de l'Université de Rochester (États-Unis), la Terre possédait déjà un champ magnétique il y a 3,2 milliards d'années.
Description
Le champ magnétique terrestre peut être comparé, en première approximation, à celui d'un aimant droit (ou d'un dipôle magnétique, ou d'une bobine plate parcourue par un courant). Le point central de cet aimant n'est pas exactement au centre de la Terre, il s'en trouve à quelques centaines de kilomètres.
La théorie du potentiel décrit, à partir de l'équation de Laplace, qu'à cet aimant droit se superposent en second ordre un quadripôle, au troisième ordre un octopôle, etc., jusqu'à l'infini. Cette décomposition dite en harmoniques sphériques admet des coefficients qui pondèrent l'importance à attribuer à chaque aimant. Le premier à avoir mesuré leur valeur est Gauss à partir d'un maillage d'observatoires magnétiques répartis autour de la Terre, puis d'en tirer des études statistiques.
D'autres planètes du système solaire possèdent un champ magnétique : Mercure, Saturne, Uranus, Neptune et surtout Jupiter, ainsi que le Soleil lui-même.
Bien que les aimants aient été connus depuis l'Antiquité, ce sont les Chinois qui, vers l'an 1000-1100 les utilisèrent pour s'orienter à l'aide de la boussole. La relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre fut découverte en 1600, par William Gilbert, un physicien anglais et médecin de la reine Élisabeth Ire. Cette théorie est la première concernant des caractéristiques globales de la Terre, avant la gravité d'Isaac Newton. Il démontra comment une boussole placée à la surface d'une boule magnétisée (la « Terrella ») indique toujours le même point, comme elle le fait sur la Terre.
Notion de pôle
L'ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l'ionosphère, soit à plus de 1000 km, est appelé magnétosphère. L'influence du champ magnétique terrestre se fait sentir à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.
Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » (en rouge sur la figure) de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier ; noter sur la figure que le pôle de magnétisme nord de l'« aimant terrestre » pointe vers le sud géographique. L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le pôle nord magnétique (Nm) est à environ 1000 km du pôle nord géographique (Ng), en direction du Canada. La position actuelle du pôle nord magnétique est 81°N et 110°W mais il se rapproche actuellement du pôle nord géographique à une vitesse moyenne de 40 km/an. En outre la position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne.
Le pôle Sud magnétique, quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'Urville, à 65° S et 138°E.
Propriétés du champ magnétique
En un point donné du champ magnétique terrestre, le vecteur d'induction magnétique B possède une composante verticale Bv (dirigée vers le centre de la Terre) et une composante horizontale B0. Aux pôles magnétiques, la composante horizontale a une valeur nulle. L'angle formé par B et B0 est appelé « inclinaison ». Il augmente lorsque l'on se rapproche des pôles en tendant vers 90°.
Le vent solaire est responsable de ces variations par les courants électriques qu'il engendre dans l'ionosphère et la magnétosphère. Les orages magnétiques peuvent perturber le champ magnétique terrestre en faisant varier l'intensité de la composante horizontale B0 (voir paragraphe ci-bas pour la signification de B0). De plus, les vents solaires déforment le champ magnétique terrestre. Côté jour, il est aplati et du côté nuit, il s'étire sur une dizaine de rayons terrestres.
La valeur de la densité de flux du champ (induction) magnétique est exprimée en teslas (nom de l'unité dans le Système International d'unités), en l'honneur de Nikola Tesla. Actuellement, elle est de l'ordre de 47 μT au centre de la France. L'intensité d'un champ magnétique (aimantation) s'exprime en A/m.
L’archéomagnétisme, fondé sur l'étude des traces de champ magnétique fixées dans les objets archéologiques (briques, céramiques, etc.), et le paléomagnétisme, fondé plutôt sur les roches, permettent de comprendre l'évolution du géomagnétisme au fil du temps ; en datant les inversions de polarité magnétique au travers des âges, par exemple.
Applications
La boussole
L'aiguille d'une boussole s'oriente suivant la composante parallèle au cadran (normalement positionné horizontalement), restant tangente à la ligne de champ du lieu où elle se trouve. L'aiguille indique la direction du pôle Nord magnétique (et non celle du pôle Nord géographique) ; la différence angulaire relative étant appelée la déclinaison magnétique, dont la valeur dépend du lieu où l'on se trouve.
La déclinaison magnétique d'un lieu est fournie sur les cartes détaillées (1/50000 ou 1/25000) de la région. Sur les cartes marines et aéronautiques est également fournie une estimation de sa variation annuelle (par exemple diminution de 6' par an). Dans la mesure où c'est le nord de la boussole qui se dirige vers le « Nord » magnétique, en réalité elle indique un pôle Sud selon les conventions de l'électromagnétisme.
Le paléomagnétisme
On distingue l’archéomagnétisme, fondé sur l'étude des traces de champ magnétique fixées dans les objets archéologiques (briques, céramiques, etc.), du paléomagnétisme fondé sur l'analyse des variations du champ magnétique enregistrées par les roches. Lors de la solidification "rapide" d'un matériaux (cuisson d'une poterie, éruption volcanique...), les dipôles magnétiques qu'il contient se retrouvent figés, donnant ainsi un instantané de la direction du champ magnétique terrestre. Les travaux de Xavier Le Pichon dans les années 70, ont permis de mettre en évidence le phénomène de dérive des continents, à partir de l'étude de la variation du champ magnétique terrestre enregistrée au niveau des dorsales médio-Atlantique. On a ainsi pu découvrir que le champ magnétique terrestre a subi de multiples inversions de polarité au cours des derniers millénaires.
L'exploration minière
La prospection minière constitue un des grands domaines d'application de l'étude du géomagnétisme. Différentes roches possédant différentes aimantations, la valeur de l'intensité du champ magnétique terrestre s'en trouve modifiée. Il est ainsi possible d'obtenir une carte des structures en profondeur, selon les variations d'aimantation des roches.
Un bouclier protecteur pour la Vie
La magnétosphère, créée par le champ magnétique terrestre, joue un rôle essentiel dans le développement de la vie sur terre, en déviant les particules mortelles du vent solaire et des rayons cosmiques formant ainsi un des plus magnifiques phénomènes naturels : les aurores boréales et australes. Lorsque le noyau se sera refroidi (dans quelques... milliards d'années) et qu'en conséquence le champ magnétique aura disparu, il est probable que les formes de vie existantes ne pourront plus subsister. Ces conditions sont celles qui règnent aujourd'hui sur la Lune et Mars.
Voir aussi
Articles connexes
- Structure interne de la Terre
- Magnétosphère
- Pôle Nord
- Dynamo terrestre
- Inversion du champ magnétique de la Terre
Bibliographie
Filmographie
- Magnétisme terrestre, passé, présent, futur, film documentaire réalisé par Yves Michaud (Gauthier Hulot, conseiller scientifique), Association « L'Université de tous les savoirs – la suite », Paris ; CERIMES, Vanves, 2009, 82' (DVD) (conférence du samedi 10 janvier 2009)
Liens externes
- Regard sur un demi-siècle de mesures magnétiques dans les stations de répétitions françaises
- Commission géologique du Canada - Géomagnétisme
- Introduction à la physique du globe, par Louis Cagniard, École nationale supérieure du pétrole et des moteurs (France)
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