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Le géomagnétisme, ou les secrets du magnétisme de la Terre

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Le magnétisme partout présent sur Terre fascine les Hommes depuis longtemps. Avant que son origine ne soit comprise, la fidélité de l'aiguille de la boussole, mais aussi ses étranges fantaisies, ont été exploitées. Des chercheurs de l'Institut de physique du Globe de Paris, l'IPGP nous expliquent cette science, le géomagnétisme, qui recèle encore bien des mystères.

L'étude du champ magnétique terrestre a une longue histoire, en particulier à cause de son importance pour la navigation. Aujourd'hui, l'étude de ses variations dans le temps est l'un des moyens les plus efficaces pour sonder la structure et la dynamique du noyau de notre planète.

La science du paléomagnétisme permet en particulier de remonter dans le temps sur des dizaines voire des centaines de millions d'années pour connaître l'histoire de la Terre et suivre l'expansion des fonds océaniques et la dérive des continents. De fait, c'est grâce à cette science du magnétisme fossile, enregistré par certaines roches comme des laves se refroidissant, que la théorie de la tectonique des plaques a pu être découverte et démontrée dans les années 1960 et au tout début des années 1970.

Enfin, les méthodes magnétiques sont couramment utilisées pour détecter des anomalies du champ géomagnétique pour la prospection géophysique, l'étude des volcans et même l'archéologie. La science du géomagnétisme peut être transposée à l'étude du champ magnétique des autres planètes avec les mêmes applications.

L'histoire de la science du géomagnétisme

Les Chinois ont été les premiers, vers le XIe siècle, à utiliser des boussoles pour la navigation. En Europe, même si l'existence du magnétisme était connue depuis les Grecs, grâce à des roches de la région de la ville de Magnésie, il faudra attendre la publication en 1600 du De Magnete de William Gilbert pour que la science du géomagnétisme soit vraiment fondée. Celui-ci avait alors émis l'hypothèse que la Terre était un gigantesque aimant. Les navigateurs européens avaient, eux, remarqué qu'en fonction du lieu, l'angle entre l'aiguille d'une boussole et le pôle nord géographique (la déclinaison) variait, et que, de même, l'angle avec la verticale (l'inclinaison) changeait aussi. En 1701, Halley publiait d'ailleurs la Tabula nautica, la première carte de ces variations.

Des variations séculaires du champ magnétique terrestre furent ensuite mises en évidence, après celles à l'échelle de l'année. Ces fluctuations étaient peu compatibles avec l'explication de Gilbert pour l'origine du champ magnétique. Le champ d'un aimant ne variant pas dans le temps, certains commencèrent à envisager une cause extérieure. Cette dernière hypothèse fut réfutée par Gauss en 1838. En utilisant la théorie de la décomposition des champs de potentiel en harmoniques sphériques, et sa théorie des moindres carrés, il prouva que le champ géomagnétique était bien celui produit majoritairement par un dipôle situé à l'intérieur de la Terre, c'est-à-dire une sphère uniformément magnétisée.

Découvreur des inversions magnétiques, le physicien Bernard Brunhes avait demandé à des ingénieurs du génie civil de le prévenir s'ils trouvaient une couche d'argile recouverte d'une coulée de lave. En effet, il étudiait le magnétisme fossile enregistré dans l'argile cuite, phénomène alors déjà connu, notamment, avec les poteries antiques. En 1905, un ingénieur lui parla du hameau de Pont-Farin. Une telle double couche se remarque dans le fossé bordant la route, encore visible aujourd'hui car, sous l'action de la chaleur, l'argile s'est transformée en brique rouge, comme on le voit nettement ici. La couche grise correspond à une coulée de basalte datée de 4,8 millions d'années. Elle s'est produite au moment où la polarité du champ magnétique de la Terre était inversée, ce qui a permis à Bernard Brunhes de faire sa découverte. © Laurent Sacco, Futura

Cela n'expliquait toujours pas les fluctuations rapides du champ magnétique observées et la situation allait rapidement devenir pire suite à trois découvertes. La première fut celle d'une augmentation rapide de la température des roches avec la profondeur. La seconde fut celle d'une température limite de 500 à 600 °C, dite de Curie, au-delà de laquelle un aimant perd son aimantation. Enfin, en 1905, le physicien français Bernard Brunhes mit en évidence des inversions magnétiques au cours de l'histoire de la Terre, en étudiant le champ magnétique fossilisé dans une couche d'argile au contact d'une coulée de lave et située près du hameau de Pont-Farin.

L'explication moderne de l'origine du magnétisme terrestre est partie des tentatives de Larmor en 1919 pour expliquer le champ magnétique des taches solaires avec le concept de dynamo auto-excitée. Ce scientifique avait déjà noté que sa théorie pouvait aussi s'appliquer à la Terre si celle-ci possédait une partie fluide et conductrice. Il faudra attendre les travaux des sismologues Inge Lehmann et Harold Jeffreys pour en avoir la preuve.

Les tentatives pour développer la théorie de Larmor se multiplient mais elles reçoivent un coup de frein sérieux avec le « no-go » théorème de Cowling en 1934. Comme toujours, un théorème d'impossibilité ne tient qu'en fonction de ses hypothèses, en l'occurrence celle d'axisymétrie, et si l'on ajoute des mouvements turbulents dans le noyau liquide en fer conducteur, l'objection est levée !

De nos jours, les simulations numériques et les expériences en laboratoires (comme VKS) portant sur des dynamos auto-excitatrices, reproduisant le champ magnétique de la Terre et ses inversions, ont montré que les pionniers de la théorie de la géodynamo, parmi lesquels Elssaser, Bullard et surtout Braginsky, avaient raison de ne pas s'être laissé arrêter par ce théorème.

© IPGP

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