Quelle est l'origine des petites variations du champ magnétique terrestre ? © helenos, Adobe Stock
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Le noyau terrestre est parcouru par des ondes rapides très spéciales

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Le champ magnétique terrestre est caractérisé par de multiples variations au cours du temps. Si certaines sont illustrées par les inversions des pôles, il existe une composante à plus petite échelle montrant des variations sur une période annuelle. Une nouvelle étude montre que ces petites variations seraient liées à l'existence d'ondes dites magnéto-Coriolis au sein du noyau terrestre.

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Le champ magnétique de la Terre est généré par la géodynamo, un processus qui prend place au sein du noyau externe de notre Planète à plus de 3.000 km sous nos pieds. Cette immense dynamo terrestre fonctionne grâce aux mouvements de convection qui animent le fluide métallique composant le noyau externe. Ces mouvements sont eux-mêmes produits par le transfert de chaleur lié au refroidissement de la graine, le noyau interne.

Cependant, les mécanismes gouvernant le champ magnétique, et plus particulièrement ses variations au cours du temps, sont encore mal compris car le champ magnétique terrestre n'est pas stable. Les mouvements de convection qui en sont à l'origine sont en effet chaotiques, entrainant une évolution constante avec toute une gamme de variations sur des échelles de temps très variées. L'un des effets les plus connus de ces variations du champ est l'inversion des pôles magnétiques. Ce cas extrême, bien qu'il ne se produise pas de manière régulière, s'observe sur une échelle de temps de l'ordre du million d'années. Il existe cependant des variations de l'ordre d'une à quelques années qui se caractérisent par des oscillations du champ magnétique. Cette dynamique ondulatoire à très court terme était jusqu'à présent inexpliquée par les modèles en vigueur.

Représentation de la géodynamo qui se tient au sein du noyau externe de la Terre. © Andrew Z. Colvin, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Des variations du champ magnétique sur de courtes périodes

Des scientifiques de l'université de Grenoble se sont donc penchés sur la question. Grâce aux données géomagnétiques recueillies en continue depuis une vingtaine d'années par les satellites, ils ont été en mesure d'identifier la cause de ces variations interannuelles. Nicolas Gillet et ses collègues ont ainsi pu observer pour la première fois la propagation, à l'intérieur du noyau, des ondes responsables de ces oscillations du champ magnétique.

Ces ondes sont dites « magnéto-Coriolis » ou « magnétohydrodynamiques ». Elles sont générées par la rotation de la Terre et sont portées par la force magnétique produite par la dynamo terrestre. Jusqu'à présent, ce type d'ondes n'était qu'une hypothèse mais l'équipe de recherche a réussi à montrer leur existence et à les caractériser. Leur période est ainsi de sept ans environ, ce qui est très court à l'échelle de la Terre, leur amplitude de 3 km/an et elles se déplacent au niveau de l'équateur du noyau, vers l'ouest, avec une vitesse de phase d'environ 1.500 km/an. Ces ondes présentent également une forme particulière : le front d'onde est organisé en différentes colonnes qui sont non-alignées avec l'axe de rotation de la Terre.

Visualisation des ondes magnéto-Coriolis qui animent le noyau externe de la Terre et se propagent au niveau de l'équateur du noyau. Elles seraient responsables des petites variations du champ magnétique, observables à l'échelle de l'année. © Gillet et al., 2022, PNAS, CC by-nc-nd 4.0

Pour les scientifiques, ces ondes sont donc différentes des ondes de torsion d'Alfvén qui présentent une période de six ans et sont, quant à elles, symétriques à l'axe de rotation. Les ondes de torsion d'Alfvén peuvent être imaginées comme des cylindres ayant une rotation différentielle entre eux. Elles ne sont pas influencées par la vitesse de rotation de la Terre, contrairement aux nouvelles ondes magnéto-Coriolis caractérisées par l'équipe de Grenoble.

Les ondes magnétiques pour sonder l’intérieur du noyau

L'élaboration de ce nouveau modèle d'ondes a été permis notamment par une simulation numérique précise et poussée de la géodynamo terrestre, couplée aux données magnétiques. L'identification de ces ondes magnéto-Coriolis permet d'affiner notre compréhension des processus mis en jeu par la géodynamo. Les résultats, publiés dans la revue PNAS, suggèrent que les changements rapides observés dans le champ magnétique terrestre peuvent être expliqués par sa composante cylindrique radiale et ne nécessitent pas de faire appel, comme cela était auparavant proposé, à une stratification du noyau externe.

Ces résultats ouvrent la voie à une meilleure compréhension du champ magnétique qui règne à l'intérieur du noyau terrestre, ce qui pourrait notamment permettre d'anticiper les évolutions du champ à plus ou moins court terme.


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