L'énigme de la dérive du champ magnétique de la Terre résolue

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Les lignes de champ magnétique de la Terre ne restent pas constantes dans le temps. Elles subissent notamment des variations séculaires, et l’on ne comprenait pas en particulier leur dérive vers l'ouest à la surface de la Terre. Des chercheurs de l’institut de Physique du Globe de Paris et du National Space Institute (université technique du Danemark) viennent de proposer une solution à cette énigme.

Les Grecs connaissaient l’existence du magnétisme grâce aux roches se trouvant dans la région de la ville de Magnésie. Mais c’est le médecin et physicien britannique William Gilbert qui a le premier mentionné l’hypothèse que la Terre était un gigantesque aimant dans son ouvrage publié en 1600 : De Magnete. On sait aujourd’hui que cela n’est pas vraiment le cas. En effet, la température des roches augmente au fur et à mesure que l’on s’enfonce à l’intérieur de la Terre. Or, il existe une température limite de 500 à 600 °C, la température de Curie, au-delà de laquelle un aimant perd ses propriétés d’aimantation lors d'une transition de phase.

 Le champ magnétique de la Terre présente des anomalies qui le font dériver lentement vers l’ouest à une vitesse d’environ 20 km par an. Est représenté une visualisation du modèle numérique (informatique) simulant la géodynamo, vue du pôle Nord (la Terre en médaillon donne l'angle de vue). Les rubans grisés représentent le mouvement général vers l'ouest du fluide dans le noyau. Le plan équatorial figure le motif de cet écoulement : en bleu, le fluide allant vers l'ouest, en rouge, le fluide allant vers l'est. J. Aubert et al., 2013, Insu, CNRS

Mais avant ces découvertes, les différents navigateurs européens qui parcouraient la Planète en utilisant des boussoles, avaient noté qu’en fonction de leur position sur la Terre, l’angle que faisait l’aiguille d’une boussole avec la verticale du lieu (l’inclinaison), ou avec la direction du pôle nord géographique (la déclinaison), variait. En 1702, l’astronome Edmond Halley, célèbre pour sa fameuse comète, avait publié la tabula nautica, la première carte des variations des déclinaisons du champ magnétique à la surface de la Terre. Cette carte compilait des données fournies par les carnets des navigateurs qui y notaient leurs observations. De telles cartes dressées au cours des années montraient que les directions du champ magnétique en un lieu variaient dans le temps.

Avant la construction des observatoires permanents du champ magnétique de la Terre à partir des années 1840, Halley avait même découvert en 1692 que les lignes de champ magnétique semblaient se déplacer sur la surface de notre Planète. C’était la première fois que les géophysiciens se sont retrouvés confrontés à l’énigme de la dérive géomagnétique, laquelle repose sur le déplacement vers l'ouest de lignes le long desquelles le nord magnétique observé correspond exactement au nord géographique.

Pour tenter de comprendre l'origine de ce curieux phénomène, il était tout d'abord nécessaire d'élucider le mécanisme capable de donner à notre Planète un champ magnétique, qui plus est variable dans le temps. Il a fallu pour cela attendre 1906 et la découverte du noyau de la Terre par Richard Dixon Oldham, au moyen d'une nouvelle science, la sismologie. La Danoise Inge Lehman précisera sa structure une première fois en 1936, en démontrant qu’à l’intérieur du noyau (que l’on pensait alors entièrement liquide et dont le diamètre est de 7.000 km) se trouve aussi une zone sphérique solide de 1.400 km de diamètre. Cette partie s’appelle la graine.


 Une coupe de l'intérieur de la Terre avec certaines des lignes de champ magnétique engendrées dans le noyau. La graine, composée d'un alliage de fer et de nickel solide est bien visible au centre. C'est dans le noyau que des courants turbulents de ce même alliage, mais liquide donc, engendrent le champ magnétique de la Terre selon la théorie de la géodynamo. Julien Aubert
 
Les températures qui règnent dans le noyau sont particulièrement élevées et l’on pense même qu’elles peuvent atteindre celle de la surface du Soleil, c'est-à-dire 6.000 K. La partie fluide est parcourue par des mouvements turbulents et des courants électriques. Nous savons maintenant que c'est précisément à ce niveau qu’est généré le champ magnétique terrestre, avec le fameux effet de dynamo autoexcitée récemment reproduit en laboratoire par l’expérience VKS.

Mais jusqu’à présent, même avec les progrès récents des ordinateurs héritiers des travaux de Turing, l’on était incapables de rendre compte de la dérive géomagnétique vers l’ouest alors que l’on était en mesure montrer des inversions intermittentes du champ magnétique de la Terre. Cela vient de changer suite à la publication dans Nature d’un article par des chercheurs de l’institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et du National Space Institute (université technique du Danemark). Julien Aubert, Alexandre Fournier et Christopher C. Finlay ont trouvé la clé de l’énigme de dérive géomagnétique vers l’ouest : la force de Coriolis.

On sait que les vents sont déviés par la force de Coriolis vers la gauche dans l’hémisphère sud, et vers la droite dans l’hémisphère nord. Dans les océans, des courants, qui vont parfois d’un continent à l’autre, peuvent s’enrouler en formant des boucles : emportées par la force de Coriolis, elles s’appellent des gyres ou des tourbillons. Bien sûr, comme il s’agit en fait d’une pseudo-force apparaissant dans un référentiel en rotation, la force de Coriolis agit aussi sur les courants de matière fluide dans le noyau de la Terre. Puisqu’elle dévie les panaches convectifs montants du sommet de la graine, on peut montrer qu’elle doit conduire la partie liquide du noyau à tourner un peu plus vite vers l’est que le reste de la Planète. Mais comme ces courants sont magnétiquement couplés à la graine, celle-ci est aussi entraînée vers l’est. On en concluait généralement, jusqu’ici, que la graine devait tourner plus vite que le manteau.

 Gustave Gaspard de Coriolis (1792-1843) est un mathématicien et ingénieur français. On le connaît surtout pour les découvertes de l'accélération de Coriolis et à la force de Coriolis. Elles affectent le mouvement des corps dans un milieu en rotation, par exemple les vents dans l'atmosphère de la Terre ou les courants dans les océans. Archives de l’École Polytechnique, DP

Mais selon les auteurs de l’article de Nature, c’était négliger les forces de gravité entre les inhomogénéités de distributions de masse du manteau et celles de la graine. Elles introduisent un couplage entre le manteau et la graine de sorte que le manteau tourne en réalité à la même vitesse que la graine. Le bilan total de tous ces mouvements et forces fait que le noyau liquide est perçu comme dérivant vers l’ouest pour les observateurs attachés au manteau.

Les nouvelles simulations numériques conduites par les trois géophysiciens non seulement reproduisent bien la dérive géomagnétique vers l’ouest, mais elles le font avec une excellente précision pour les 400 ans d’observations scientifiques du champ magnétique de la Terre. À un tel point que l’on peut envisager une « météo du noyau », avec l’équivalent de la prédiction du climat de la Terre sur le long terme, à savoir un siècle.

futura sciences 31/10/2013

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La turbulence, ensemble de mouvements aléatoires qui animent le métal en fusion du noyau terrestre, contribuerait au champ magnétique de notre planète, comme viennent de le démontrer des chercheurs de l’Institut des sciences de la Terre. Pour parvenir à ce résultat, ils ont modélisé le noyau externe de la Terre par du sodium liquide confiné entre deux sphères de métal concentriques et en rotation au moyen d’un dispositif baptisé Derviche Tourneur Sodium (DTS).

 Image du dispositif « Derviche Tourneur Sodium ». La sphère externe en acier inox (au centre de l’image) renferme une sphère interne (ou graine) en cuivre, plus petite. Entre les deux se trouvent 40 litres de sodium liquide. Le rapport des rayons des deux sphères est identique à celui entre la graine et la limite noyau-manteau de la Terre. Le sodium représente donc par analogie le noyau fluide. 2014 OSUG, Cnrs

Comme de nombreuses planètes et la plupart des étoiles, la Terre produit son propre champ magnétique par effet dynamo, c’est-à-dire grâce aux mouvements d’un fluide conducteur d’électricité, en l’occurrence, un mélange de fer et de nickel fondus. Cet océan de métal liquide, le noyau externe, entoure une graine de métal solide (ou noyau interne). Il est mis en mouvement par la convection que provoque le refroidissement du noyau. 


L’écoulement qui en résulte est particulièrement complexe : aux déplacements du fluide sur de grandes distances, bien compris et générateurs du champ magnétique, viennent s’ajouter des mouvements désordonnés, aléatoires, sur de courtes distances, les fluctuations turbulentes. Si celles-ci existent aussi dans l’atmosphère et dans l’océan, celles du noyau terrestre se distinguent, car elles sont sous la double influence de la rotation terrestre et d’un fort champ magnétique.

Cette turbulence particulière, ni les expériences en laboratoire ni les simulations informatiques ne sont aujourd’hui capables de la reproduire. Une simulation numérique complète des mouvements qui animent le noyau externe demanderait de couvrir une large gamme d’échelles avec un très petit pas temporel, ce qui est inaccessible avec les moyens actuels. Jusqu’à maintenant il était donc impossible pour les géophysiciens de déterminer son rôle vis-à-vis du champ magnétique.

 L’expérience DTS consiste en la rotation différentielle de deux sphères concentriques. À l’aide de deux moteurs d’une puissance de 11 kW chacun, les sphères sont mises en rotation à une vitesse pouvant aller jusqu’à 30 Hz (30 tours par seconde, donc). Avec les deux sphères en contrarotation, la rotation différentielle peut donc atteindre 60 Hz. Cette expérience qui fait intervenir du sodium conducteur afin de simuler le comportement de la partie fluide du noyau de la Terre, avec des courants électriques et des champs magnétiques, se trouve dans un régime dit magnétostrophique où les forces de Coriolis et de Lorentz sont en équilibre, comme dans les noyaux planétaires. 2014 OSUG

Afin de mieux comprendre les interactions entre turbulence et champ magnétique, des chercheurs de l’Institut des sciences de la Terre, à Grenoble, ont utilisé l’expérience « Derviche Tourneur Sodium » ou DTS (en référence aux membres de l’ordre soufi, les derviches tourneurs qui dansent en tournant sur eux-mêmes), démarrée en 2005. Dans ce modèle de noyau terrestre miniature, 40 litres de sodium liquide (un fluide conducteur d’électricité) sont contenus dans l’espace séparant deux sphères concentriques. L’originalité de ce modèle réside dans le fait qu’un aimant au centre de la sphère interne fournit un fort champ magnétique et que la rotation de cette graine entraine très efficacement le liquide conducteur. Dans ces conditions, le sodium liquide est soumis à un champ magnétique élevé et à une forte rotation, comme on l’attend dans le noyau terrestre, et animé à la fois de mouvements de grande échelle et de fluctuations aléatoires.

Des capteurs répartis sur la sphère externe et à l’intérieur du sodium ont permis de cartographier le champ magnétique, tandis que des faisceaux d’ultrasons mesuraient, par effet Doppler, la vitesse d’écoulement du fluide. Grâce à ces données, les chercheurs ont démontré que les mouvements turbulents augmentent la capacité du fluide à conduire l’électricité, et donc amplifient le champ magnétique, loin de l’atténuer comme avaient suggéré de précédentes expériences. Ce phénomène, observé pour la première fois en laboratoire, a été confirmé par des simulations numériques.

Ces résultats (publiés dans la revue Physical Review Letters) s’appliquent aussi aux planètes qui ont un champ magnétique et aux étoiles. La découverte de ce nouvel ingrédient du champ magnétique permettra peut-être d’expliquer pourquoi dans le cas de Vénus, planète « jumelle » de la Terre, le noyau métallique liquide ne produit pas de champ magnétique. Mieux connaître ces fluctuations turbulentes pourrait aider à comprendre les inversions du champ magnétique.


Futura Sciences 26/11/2014