En savoir plus sur les pôles magnétiques terrestres et leur inversion

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Les pôles magnétiques nord et sud de la Terre se sont inversés plusieurs fois au cours des derniers millénaires. Pourquoi? Qu'est-ce qui détermine ces inversions du champ magnétique? Des chercheurs français ont découvert un lien entre ce phénomène et la tectonique des plaques.

Sur Terre, l’aiguille d’une boussole se tourne vers le pôle Nord magnétique –et ce depuis 780.000 ans à supposer que les boussoles soient aussi anciennes…

En effet, l’orientation du champ magnétique terrestre n’a pas varié depuis 780.000 ans, alors qu’au cours de l’histoire du globe les pôles magnétiques nord et sud se sont inversés à plusieurs reprises, tous les 500.000 ans environ depuis 7 millions d’années.

Qu’est-ce qui explique le rythme irrégulier de ces inversions de polarité ? Des chercheurs de l'Institut de Physique du Globe et du CNRS apportent un élément de réponse : [b]ils ont constaté que la fréquence des inversions était liée à la répartition des continents à la surface du globe. [/b]

La tectonique des plaques est pourtant très éloignée, en apparence, de la dynamo terrestre. C’est en effet à plus de 3.000 km de profondeur, dans le noyau, que les mouvements de convection du fer liquide génèrent le champ magnétique, sans lequel la Terre n’aurait pas son bouclier protecteur, la magnétosphère.

Plusieurs expériences et modélisations ont montré que la symétrie des écoulements de fer dans le noyau joue un rôle important dans les inversions du champ magnétique, précisent François Pétrélis et ses collègues (1). Une inversion se produirait lorsque les écoulements ne sont plus symétriques par rapport au plan de l’équateur.

Ce processus commencerait à la limite du noyau et du manteau terrestre, à 2.900 km de profondeur, avant de s’étendre à tout le noyau liquide, expliquent les chercheurs. Ils ont donc prospecté en «surface», au niveau du déplacement des plaques continentales, pour trouver la trace de ce phénomène. Remontant jusqu’à l’époque du supercontinent unique, la Pangée, ils ont recoupé l’évolution des continents avec la chronologie bien établie des inversions des pôles magnétiques. Pétrélis et ses collègues mettent ainsi en évidence que le degré d’asymétrie des continents entre les deux hémisphères (séparés par l’équateur) évolue au même rythme que le taux d’inversions magnétiques (le nombre d’inversions pour un million d’années). Plus l’asymétrie est forte, avec des continents de plus en plus éloignés de l’équateur, plus le nombre d’inversions augmente.

Quelle est la relation de cause à effet entre les deux ? Les mouvements des continents ne sont pas directement responsables des inversions, précisent les chercheurs. En revanche, la tectonique reflèterait d’immenses brassages se produisant dans le manteau. Cette zone qui s’étend de la croûte terrestre jusqu’au noyau, sur 2.900 km, est animée d’une dynamique très complexe. Bien qu’il soit solide, le manteau se déforme : il se comporte comme un fluide sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années –celles qui intéressent les géologues.

(1) Laboratoire de physique statistique de l'ENS (Ecole normale supérieure/CNRS/UPMC/Université Paris Diderot) et Institut de physique du globe de Paris (CNRS/IPGP/Université Paris Diderot)


Sciences et Avenir 14/10/2011

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Au cours de l'histoire de la Terre, le champ magnétique s'est inversé à de nombreuses reprises, à un rythme irrégulier. De longues périodes sans inversion ont été séparées par des phases de renversements plus fréquents. Quelle est l'origine des inversions et de leur irrégularité ? Des chercheurs du CNRS et de l'Institut de Physique du Globe(1) apportent un élément de réponse nouveau en démontrant que la fréquence des inversions dépend de la répartition des plaques tectoniques à la surface du globe ces 300 derniers millions d'années.

Ce résultat ne signifie pas que les plaques terrestres déclenchent elles-mêmes le basculement du champ magnétique. Il établit que si le phénomène d'inversion se produit in fine dans le noyau liquide de la Terre, il est sensible à ce qui se passe hors du noyau, plus précisément dans le manteau terrestre. Ces travaux sont publiés le 16 octobre 2011 dans Geophysical Research Letters.

Le champ magnétique terrestre est produit par les écoulements du fer liquide qui ont lieu dans le noyau, trois mille kilomètres sous nos pieds.

Comment l'idée d'une relation entre la tectonique des plaques et le champ magnétique est-elle venue aux chercheurs ?

De la découverte que la symétrie des écoulements de fer liquide joue un rôle dans les inversions magnétiques : des expériences et de travaux de modélisation réalisés ces cinq dernières années ont en effet montré qu'une inversion survient lorsque les mouvements de métal en fusion ne sont plus symétriques par rapport au plan de l'équateur. Cette « brisure de symétrie » se ferait progressivement : elle commencerait d'abord dans une zone située à la frontière noyau-manteau (le manteau sépare le noyau liquide de l'écorce terrestre), puis gagnerait l'ensemble du noyau (constitué de fer liquide).

Prolongeant ces recherches, les auteurs de l'article se sont demandés si une trace des brisures de symétrie initiales, à l'origine des inversions qui ont jalonné l'histoire de la Terre, se retrouvait dans les seules archives des écoulements géologiques à grande échelle que nous possédons, c'est-à-dire les déplacements des continents (ou tectonique des plaques). Il y a 200 millions d'années, la Pangée, nom donné au supercontinent rassemblant la quasi-totalité des terres, a commencé à se disloquer en une multitude de morceaux qui ont façonné la Terre comme on la connait aujourd'hui. En faisant le bilan de la surface des continents situés dans l'hémisphère Nord et ceux dans l'hémisphère Sud, les chercheurs ont pu calculer un degré d'asymétrie (par rapport à l'équateur) dans la répartition des continents durant cette période.

La conclusion ? Le degré d'asymétrie a varié au même rythme que le taux d'inversions magnétiques (nombre d'inversions par million d'années). On peut presque superposer les deux courbes tant elles ont évolué en parallèle. Autrement dit, plus le centre de gravité des continents s'éloignait de l'équateur, plus le rythme des inversions s'accélérait (jusqu'à atteindre huit par million d'années pour un degré d'asymétrie maximal).

Que faut-il en déduire sur le mécanisme à l'origine des inversions ? Les scientifiques envisagent deux scénarios.

- Dans le premier, les plaques terrestres pourraient être directement responsables des variations de la fréquence des renversements : après leur plongée dans le manteau terrestre au niveau des zones de subduction, les plaques parviendraient jusqu'au noyau, où elles modifieraient les écoulements de fer.

- Dans le second, les mouvements des plaques ne feraient que refléter le brassage de matière à l'œuvre dans le manteau et notamment à la base de celui-ci.

Dans les deux cas, ce sont bien des mouvements de roches extérieures au noyau qui provoqueraient l'asymétrie des écoulements dans le noyau liquide, et détermineraient la fréquence des inversions.

Note (1) : Laboratoire de physique statistique de l'ENS (Ecole normale supérieure/CNRS/UPMC/Université Paris Diderot) et Institut de physique du globe de Paris (CNRS/IPGP/Université Paris Diderot)

Référence : Plate Tectonics May Control Geomagnetic Reversal Frequency. F. Pétrélis, J. Besse, J.-P. Valet. Geophysical Research Letter. 16 octobre 2011.

Centre National de la Recherche Scientifique - Notre Planète Info 27/10/2011

[BelleMuezza 0]

Les inversions magnétiques de la Terre se sont produites de multiples fois depuis des centaines de millions d’années. Mais jusqu’à aujourd’hui, on ne savait pas très bien ce qui se passait à chaque changement de polarité de la Planète. Selon un groupe de géophysiciens français et américains, ces inversions se produisent en trois étapes et en quelques milliers d’années seulement.

Trajectoires du pôle observées dans les enregistrements
volcaniques les plus détaillés. Les données proviennent de séquences de coulées
de lave superposées. En orange, représentation du noyau avec son enveloppe
liquide où se génère le champ magnétique et la graine solide. Valet et
al. 2012[/center]

La publication dans le journal Nature d’un groupe de géophysiciens (de l’Institut de physique du globe de Paris et de l’université d'Hawaï) étudiant le paléomagnétisme de la Terre aurait surement intéressé Haroun Tazieff etMaurice et Katia Krafft s’ils étaient encore parmi nous. Elle concerne les inversions du champ magnétique de la Terre découvertes pour la première fois dans une couche d’argile en Auvergne en 1905. Ces inversions allaient se révéler cruciales pour convaincre dans les années 1960 la communauté des chercheurs en géosciences de l’exactitude de la théorie de la dérive des continents publiée en 1912 par Alfred Wegener.

Sur cette image on voit la couche d'argile de pont Farin cuite par la coulée de lave (grise) l'ayant recouvert il y a environ
4,8 millions d'années. Cette coulée a enregistré la direction du champ
magnétique de l'époque. Elle était inverse de celle d'aujourd'hui. Laurent
Sacco

Aujourd’hui, la théorie de la tectonique des plaques s’est imposée et elle constitue la forme moderne des idées de Wegener. On tente toujours de percer les secrets de l’origine et de l’évolution de la magnétosphère terrestre et surtout de ses inversions. Depuis des décennies, le changement de polarité de la composante dipolaire du champ magnétique de la Terre, enregistré dans une couche d’argile à Pont Farin il y a 4,8 millions d’années, était attribué au comportement d’une dynamo autoexcitatrice résidant dans le noyau liquide ferreux de la Terre. Cette hypothèse a reçu une confirmation très sérieuse il y a quelques années grâce à l’expérience VKS.

Les inversions du champ magnétique se produisent à intervalles irréguliers pouvant varier de 100.000 ans à plusieurs millions d’années. Elles concernent la partie dipolaire de la magnétosphère, c'est-à-dire celle qui se comporte comme si la Terre était un gros aimant et qui constitue 90 % du champ magnétique total. Les archives magnétiques de la Terre ont révélé qu’avant une inversion, cette composante s’affaiblit lentement en quelques dizaines de milliers d’années. Le basculement des pôles intervient ensuite en quelques milliers d’années.

Malheureusement, les archives utilisées jusqu’à présent, essentiellement celles contenues dans des sédiments, ne permettaient pas de connaître avec certitude les événements se déroulant pendant ces milliers d’années, ni si des caractéristiques de ces phases d’inversion se répétaient à chaque fois. Toutes ces informations sont bien sûr importantes pour contraindre les théories et les modèles de l’intérieur de la Terre, plus précisément, ce qui se passe dans la partie liquide du noyau où les courants de convection brassant l’alliage de fer et de nickel liquide qui le constituent génèrent le champ magnétique de la Terre.

Illustration schématique des 3 phases (précurseur, renversement de polarité et
rebond) du processus de l’inversion des pôles magnétiques. Le temps en abscisse
est en milliers d'années et en ordonnée est portée la direction du champ.
Valet et al.

Les géophysiciens ont finalement trouvé plusieurs coulées volcaniques superposées, leur permettant d’avoir la résolution temporelle désirée pour étudier les détails du processus d’inversion et ce sur une période de l’âge de la Terre comprise entre -0,8 et -180 millions d’années. Ils ont découvert qu’à chaque inversion, la même structure revenait de manière récurrente.

Comme le montre le schéma ci-dessus, tout se passe en trois étapes qui durent chacune environ 2.000 ans. La première est la phase dite précurseur où le pôle se déplace vers l’équateur avant de reprendre sa position d’origine, suivie d’une phase de transition rapide vers une polarité inverse. Cette polarité inverse n’est pas tout de suite véritablement établie car il s’ensuit une phase de rebond ramenant les pôles vers l’équateur avant qu’ils ne basculent à nouveau pour rester en place en attendant le début d’une nouvelle inversion.

Inversement des pôles : 1

Inversement des pôles : 2

Inversion des pôles : 3

Inversion des pôles : 4

FUTURA SCIENCES 12/10/2012

[birdy1972 0]

La flottille de satellites européens Swarm chargée de mesurer les fluctuations du champ magnétique terrestre a constaté, avec force précision, une intensité moindre dans toute la moitié ouest du globe et un renforcement au niveau de l’océan Indien. La dérive du pôle Nord magnétique vers la Sibérie, quant à elle, se confirme de même que l’affaiblissement global.

Lancé dans l’espace le 22 novembre 2013 par une fusée russe Rockot, le trio de satellites européens Swarm — essaim en français — est chargé de mener l’enquête sur les variations du champ magnétique terrestre. Placée sur une orbite polaire à quelque 490 km d’altitude, la constellation de satellites équipés de magnétomètres (Vector Field Magnetometer) a collecté durant leurs premières périodes de mesures une abondante somme de données que l’Agence spatiale européenne (Esa) vient de partager à l’occasion des troisièmes rencontres scientifiques de la mission qui vient de se dérouler à Copenhague.

Variations du champ magnétique terrestre mesurées par la flottille de satellites Swarm (Esa) entre janvier et juin 2014. Les taches rouges soulignent les régions où les signaux sont les plus forts, en l’occurrence l’océan Indien, tandis que le bleu marque les parties les plus faibles (moitié ouest du globe terrestre). Esa, DTU Space

Comme cela s’est déjà produit plusieurs milliers de fois au cours de la longue histoire de notre planète, le champ magnétique de la Terre a subi des inversions. Elles sont précédées par une baisse de l'intensité du champ magnétique mais toutes les baisses constatées n'ont pas précédé des inversions. On se demande tout de même si la Terre n'est pas sur le chemin de ce que l'on appelle une excursion magnétique.

On sait en revanche que le champ magnétique de la Terre et ses inversions sont engendrés par un effet dynamo (geodynamo) du noyau liquide qui enveloppe la graine solide (lesquels se composent d’alliage de fer et de nickel).

En mission pour quatre ans, la flottille Swarm s’attache à constituer une cartographie de haute précision des fluctuations de notre magnétosphère, bouclier indispensable contre les redoutables rayons cosmiques et autres tempêtes de particules solaires qui se précipitent sur nous.

Carte des fluctuations du champ magnétique en juin 2014. 95 % du magnétisme observé par le trio Swarm a pour origine le noyau terrestre. Les scientifiques tentent de distinguer les autres sources possibles telles que les océans, la croûte terrestre, le manteau ou l’ionosphère. L’intensité du champ magnétique est plus forte dans les régions colorées en rouge. Esa, DTU Space

Sur les six derniers mois écoulés, les scientifiques ont ainsi relevé une baisse significative de son intensité dans toute la moitié ouest de la planète et, à l'inverse, une augmentation dans certaines régions à l’est, notamment au niveau de Madagascar et de l’océan Indien… Cependant, l’affaiblissement global tend à se confirmer et le pôle Nord poursuit sa dérive vers l’Est.

Au cours des prochains mois, les chercheurs prévoient de démêler les différentes sources magnétiques (noyau, croûte terrestre, manteau, ionosphère, etc.) afin de mieux déterminer leurs rôles et impacts sur notre écosystème pour, éventuellement, à terme, prédire leurs fluctuations.

F - S 21juin2014

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Quelles seraient les conséquences de l'inversion des pôles magnétiques terrestres ? Pas si graves, et surtout pas nouveau, cette inversion ayant déjà eu lieu dans le passé.

 La Terre qui perdrait le Nord (magnétique)... Faut-il s'en inquiéter ? Réponse : NON. Image d'illustration. (ELECTROOPTICSYSTEMS/AFP)

La Terre pourrait-elle perdre le nord et entraîner ainsi la disparition de l’humanité ? Précisons d’abord que par "nord", on entend le pôle magnétique et non géographique, c’est-à-dire la direction pointée par une boussole. Eh bien oui, l’aiguille de la boussole pourrait soudainement se mettre à indiquer le sud !

Pourtant, pas de quoi paniquer... Cette inversion s’est souvent produite par le passé. La dernière remonte à il y a environ 800.000 ans.

Et pendant les quatre à cinq derniers millions d’années, il y en a eu une poignée d’autres. Le phénomène n’est pas périodique. Ces irrégularités proviennent de la source même du champ magnétique terrestre.

Au cœur de la Terre, le fer fondu, conducteur électrique et magnétique, est agité de mouvements de convection turbulents. Cette sorte de "dynamo" complètement fondue et instable crée un champ magnétique aussi imprévisible que la météo. Rien ne permet de dire que la décroissance du champ magnétique observée depuis trois mille ans se finira par une inversion dans mille à deux mille ans (donc bien après 2014 !)

Par le passé, notre champ a connu bien des rebonds qui ont évité l’inversion. De toute façon, les géologues n’ont jamais observé de corrélations entre une inversion de champ et une extinction d’espèces.

Seule conséquence possible : l’affaiblissement de la protection naturelle contre les particules solaires qu’offre ce champ, sans que cela cause des dégâts importants. Sauf peut-être sur les systèmes de communication des satellites.


Sciences et avenir 6/10/2014

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On pensait qu'il fallait 1000 ans pour que les pôles magnétiques s'inversent ; la dernière inversion a pris à peine un siècle. Cette rapidité surprend les chercheurs.

Il suffirait d'un siècle pour que les pôles magnétiques —le point de convergence des lignes de champ magnétique terrestre – de notre planète s’inversent, et non pas plus de mille ans comme les scientifiques le pensaient jusqu’à présent. Une équipe des chercheurs italiens, français et américains vient en effet de découvrir que la dernière inversion, qui a eu lieu il y a environ 786.000 ans, s’est produite en moins de cent ans. 

 Il y a 786.100 ans se produisait la dernière inversion des pôles magnétique nord et sud par rapport aux pôles géographiques. Betty Lafon

Une conclusion qui s’appuie sur des données récoltées dans le bassin de Sulmona, en Italie centrale."Les sédiments s’y accumulent rapidement, ce qui permet un archivage temporel très détaillé", analyse Sébastien Nomade, chercheur du CEA au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement, qui a participé à l’étude. Une vraie mine d’or pour les scientifiques car ces sédiments ont pu être datés avec précision grâce aux éruptions volcaniques qui y ont laissé leur marque. L’analyse des particules de magnétite présentes dans ces strates géologiques a ainsi révélé avec une finesse inégalée sur cette période les variations d’orientation et d’intensité du champ magnétique (aussi appelé magnétosphère), véritable bouclier invisible protégeant la Terre du bombardement des particules solaires.

"Avant l’inversion des pôles, on observe un affaiblissement du champ sur près de 2500 ans", rapporte le chercheur français. Une situation qui présente une troublante similitude avec les données récentes, envoyées par les satellites de la mission Swarm qui auscultent la magnétosphère depuis l’espace. Selon celles-ci, notre champ magnétique est en train de perdre 5 % de son intensité par décennie, une baisse dix fois plus rapide que ce qui était envisagé jusqu’ici. Cependant "tant que le champ n’est pas 90% plus faible qu’aujourd’hui on ne risque pas d’inversion imminente", rassure Sébastien Nomade.

Cet article est extrait de Sciences et Avenir 814, actuellement disponible en kiosque ou en version digitale sur le site. (12/12/2014)