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Et voici les prévisions météo du champ magnétique terrestre

Savoir prédire les caprices mystérieux du champ magnétique terrestre serait très utile aux opérateurs de satellites mais aussi dans bien d'autres domaines, puisque nos smartphones embarquent des applications qui utilisent un compas magnétique. Calquée sur la météorologie, une nouvelle discipline est en train de naître, qui s'appuie sur la connaissance des mouvements agitant – lentement – le noyau de la Terre.

La structure dynamique interne du noyau, estimée à partir des observations de surface et du comportement d’un modèle informatique de la géodynamo. Les structures tourbillonnaires de l’écoulement sont représentées en rouge et en bleu. Le champ magnétique interne est représenté en orange et violet, ainsi que par des lignes de champ dans le volume qui sont tordues par l’écoulement. © Julien Aubert, IPGP/CNRS La structure dynamique interne du noyau, estimée à partir des observations de surface et du comportement d’un modèle informatique de la géodynamo. Les structures tourbillonnaires de l’écoulement sont représentées en rouge et en bleu. Le champ magnétique interne est représenté en orange et violet, ainsi que par des lignes de champ dans le volume qui sont tordues par l’écoulement. © Julien Aubert, IPGP/CNRS

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Nombre d'activités technologiques humaines dépendent du champ magnétique de la Terre. Parmi les domaines où la connaissance des variations spatiales et temporelles de ce champ est importante, on peut citer le fonctionnement des satellites de basse altitude, la détermination du cap dans les applications de navigation telles que celles embarquées dans les smartphones, la géophysique d’exploration, ainsi que la protection des infrastructures électriques de grande échelle. Pour donner un exemple concret, on sait par exemple que le taux d’occurrence des pannes sur les satellites augmente fortement quand ils traversent une zone de faible intensité magnétique connue sous le nom d’anomalie de l’Atlantique sud. Ceci est tout à fait attendu puisque le champ magnétique terrestre protège moins bien notre planète contre les particules chargées du vent solaire dans cette zone.

Comment expliquer et prédire ces variations ? Ce champ trouve sa source dans le lent refroidissement de l’intérieur de notre planète, qui crée des mouvements de convection dans le noyau, une boule de fer liquide située à 2.900 km sous nos pieds. Dans un tel fluide conducteur d’électricité, les mouvements engendrent un effet dynamo, qui convertit une fraction de l’énergie libérée par le refroidissement en énergie électromagnétique. Les simulations informatiques de cette géodynamo se sont fortement développées ces deux dernières décennies et ont permis de mieux comprendre les fondamentaux de ce mécanisme. Ces simulations sont maintenant suffisamment avancées pour reproduire l’essentiel des caractéristiques de grande échelle et les variations centennales du champ magnétique.

Partant de cet état de l’art, la question de la prédiction peut se traiter en s’inspirant de techniques d’assimilation de données, qui ont principalement été développées en météorologie et en océanographie au cours des dernières décennies. Le principe de l’assimilation de données est d’orienter l’évolution du système simulé par les calculs informatiques en y injectant des observations. Depuis quelques années, des chercheurs de l’institut de Physique du Globe de Paris et de l’institut des Sciences de la Terre à Grenoble travaillent au développement de l’assimilation de données géomagnétiques, avec le soutien de leurs structures, du CNRS/INSU, du Cnes, de GENCI et de l’Agence nationale de la recherche.

En collaboration avec un chercheur de l’institut national de l’Espace danois (DTU Space, Copenhague), des représentants de ce groupe viennent de livrer dans deux articles publiés dans les revues Nature communications et Geophysical Journal International des résultats opérationnels de cette modélisation de la géodynamo. Ce travail exploite les données de la mission Swarm (Esa), une constellation de trois satellites de mesure géomagnétique lancés à la fin de l’année 2013.

Carte centrée sur l’Atlantique de l’écoulement de grande échelle à la surface du noyau, qui s’organise comme un grand tapis roulant provoquant une dérive vers l’ouest. © Nicolas Gillet, IsTerre, CNRS
Carte centrée sur l’Atlantique de l’écoulement de grande échelle à la surface du noyau, qui s’organise comme un grand tapis roulant provoquant une dérive vers l’ouest. © Nicolas Gillet, IsTerre, CNRS

Comment expliquer la décroissance du champ magnétique observée depuis 1840 ?

Une des forces de l’assimilation de données est qu’elle permet d’estimer la dynamique interne du noyau à partir des observations de surface, en s’aidant des statistiques (fournies par le modèle informatique) qui caractérisent cette dynamique.

Cette approche révèle la présence d’un grand tourbillon à la surface du noyau terrestre, qui, à la manière d’un tapis roulant, transporte en permanence le champ magnétique des pôles vers l’équateur au niveau de l’Asie, et de l’équateur vers les pôles au niveau de l’Amérique. Si le champ magnétique n’était pas si dissymétrique entres les hémisphères est et ouest, son intensité resterait stable dans le temps. Cependant, la présence de l’anomalie de faible intensité dans l’Atlantique sud déséquilibre ce mécanisme, de sorte qu’il y a un manque de champ magnétique retournant aux pôles, et donc une décroissance du dipôle, qui constitue l’essentiel du champ visible en surface. C’est la raison pour laquelle son intensité a décru depuis les premières mesures absolues réalisées par le mathématicien et physicien Karl Friedrich Gauss en 1840.

La question de la décroissance du champ magnétique terrestre est donc intimement liée à la position respective du tourbillon et de l’anomalie dans l’Atlantique sud. Les simulations par assimilation de données prédisent que ceux-ci resteront liés l’un à l’autre au cours du siècle à venir. Sous l’effet de la forte dérive latérale que le tourbillon crée dans les régions équatoriales de l’Atlantique, l’anomalie et le tourbillon lui-même devraient aussi être poussés d’environ 3.000 km vers l’ouest (à la surface de la Terre) dans les 100 prochaines années. Ce déplacement ne changera cependant pas le mécanisme décrit ci-dessus, et la décroissance du dipôle magnétique devrait donc se poursuivre au même rythme dans le prochain siècle. L’anomalie de l’Atlantique sud se creusera aussi de manière significative, ce qui élargira la zone problématique pour le vol des satellites.


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. © Julien Aubert, IPGP/CNRS

Prévisions comparables à la météo à court terme et à la climatologie à long terme

Peut-on prévoir le comportement du champ magnétique terrestre à plus long terme, et en particulier prédire la prochaine inversion des pôles ? De telles inversions se produisent à un rythme chaotique avec une moyenne d’environ quatre évènements par million d’années. La dernière inversion s’est produite il y a 780.000 ans. Nous vivons donc sous une période relativement longue de polarité stable, qui a cependant présenté de multiples phases de croissance et de décroissance du champ magnétique.

Pour poursuivre l’analogie atmosphérique, si l’évolution de l’anomalie de l’Atlantique sud relève de la météorologie, la prédiction des inversions relève de la climatologie, autrement dit des variations à très long terme. Celles-ci sont malheureusement imprévisibles, du fait du célèbre « effet papillon » qui décrit la sensibilité aux conditions initiales d’un système chaotique. Toute erreur sur la détermination initiale de l’état du système aboutit à une erreur dans la prédiction, qui s’amplifie exponentiellement à mesure que le temps passe. Le temps de doublement de cette erreur, qui pour l’atmosphère est de l’ordre de quelques jours, est d’une trentaine d’années pour le noyau de la Terre. Prédire un phénomène qui pourrait advenir dans les cent prochains milliers d’années est donc tout simplement impossible, de même que l’on ne peut savoir avec certitude le temps qu’il fera l’année prochaine à la même date.

La géodynamo présente aussi des phénomènes à très court terme tels que les secousses géomagnétiques, ou changements brutaux du taux de variation du champ magnétique. Les missions spatiales de mesure telles que Swarm ont révélé plusieurs de ces secousses lors des 15 dernières années, mais les modèles numériques de la géodynamo sont encore incapables de les reproduire de manière opérationnelle, du fait de limitations dans la puissance informatique disponible. Une démarche combinant des mesures géomagnétiques de qualité, associées à la progression des simulations, devrait permettre à l’avenir de découvrir l’origine de ces phénomènes encore inexpliqués.

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