Quels sont les mécanismes capables de soutenir la génération d'un champ magnétique sur plusieurs milliards d'années ? © © helenos, Adobe Stock
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Comment la Terre a-t-elle été capable de maintenir son champ magnétique durant des milliards d’années ?

ActualitéClassé sous :globe terrestre , noyau , champ magnétique

Les forces qui animent le noyau externe et engendrent le si précieux champ magnétique terrestre sont à l'œuvre depuis des milliards d'années. Si la convection apparait comme le mécanisme dominant, des questions se posent sur sa capacité à avoir maintenu l'effet géodynamo sur le très long terme.

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Le champ magnétique, qui protège l'atmosphère ainsi que la vie terrestre depuis son apparition, prend sa source au cœur de notre Planète. Plus précisément, il est généré par les mouvements turbulents du fer liquide qui compose le noyau externe. Cette géodynamo est ainsi active depuis plus de 3,4 milliards d'années, et malgré des inversions fréquentes et répétées, elle n'a jamais flanché. Cependant, les mécanismes capables de soutenir ces mouvements fluides sur le très long terme ne sont toujours pas véritablement compris. Plusieurs processus sont évoqués, sans que leur participation ne soit clairement quantifiée.

Le nouveau paradoxe du noyau

La convection naturelle est certainement l'hypothèse la plus acceptée actuellement. Simulations numériques à l'appui, il apparait que ce mécanisme, engendré par le lent refroidissement du noyau terrestre, est en effet capable de produire à lui seul un champ magnétique qui ressemble à celui que l'on mesure à la surface de la Terre. Or, une question secoue la communauté scientifique. Cette convection continue sur plusieurs milliards d'années est intimement dépendante de la conductivité thermique du noyau, dont la valeur est actuellement très débattue. La conductivité thermique représente la capacité des roches à conduire la chaleur et à l'évacuer vers l'extérieur de la Terre.

Or, les données publiées s’étagent sur une très large gamme, entre 20 et 250 W.m-1.K-1. Si les valeurs les plus basses questionnent le maintien dans le temps d'un système convectif efficace, les plus hautes posent également un problème, en suggérant que la majorité du flux de chaleur s'échapperait alors trop rapidement pour produire une convection capable de maintenir dans le temps un champ magnétique puissant. Ce problème, connu sous le nom de « nouveau paradoxe du noyau », souligne peut-être le fait que la convection n'est pas le seul mécanisme en action.

Des scientifiques se sont donc penchés sur l'analyse des différentes solutions possible et leur apport respectif à l'effet géodynamo.

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

Exsolution, marées et précession : une participation significative ?

Parmi les mécanismes envisagés, il y a l'exsolution des éléments légers. Ce processus décrit la fuite de certains éléments chimiques légers hors du noyau, ce qui conduit à une densification progressive du liquide métallique. Les marées terrestres engendrées par l'attraction gravitationnelle de la Lune ainsi que la précession de la Terre, sont également des mécanismes alternatifs à considérer. La précession représente la lente variation de l'orientation de rotation de la Terre. Il apparait que ces deux derniers facteurs orbitaux seraient en effet capables de produire des écoulements turbulents au sein du noyau externe, et donc de participer à l'effet géodynamo. Reste à savoir si cette participation est significative, ou pas.

Dans une étude publiée dans la revue Nature Reviews Earth and Environement, des chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris et de l'ISTerre, à Grenoble, font le point sur la participation de ces différents mécanismes pour la génération, sur le long terme, du champ magnétique terrestre.

La convection, oui, mais avec l’aide de l’exsolution

Il apparait ainsi que la précession terrestre est un paramètre mineur, l'écoulement qu'elle produit au sein du noyau externe étant bien trop faible pour participer de manière significative à l'effet géodynamo. Les marées, en revanche, pourraient bien jouer un rôle important. Les résultats suggèrent qu'elles aient notamment pu être un mécanisme majeur durant les premiers temps de la Terre, il y a plus de 1,5 milliard d'années, lorsque les forces de marées terrestres étaient bien plus importantes qu'aujourd'hui.

Les forces de marées terrestres étaient plus importantes durant les deux premiers milliards d'années de la Terre et auraient pu contribuer largement à la géodynamo. © Ron Miller, International Space Art Work

Concernant le mécanisme de convection, il serait en effet capable de soutenir à lui seul la géodynamo sur le long terme, mais à condition que la conductivité thermique soit inférieure à 100 W.m-1.K-1, ce qui n'est pas encore prouvé. Les scientifiques montrent cependant que le problème se résout si l'on prend en compte l'exsolution des éléments légers qui font augmenter de 15 à 200 % cette valeur de conductivité limite. Il en résulte que la convection, aidée par l'exsolution des éléments légers hors du noyau, serait le mécanisme participant majoritairement au maintien et à la stabilité dans le temps de la géodynamo terrestre. L'effet des marées, qui pourrait être significatif, reste encore mal contraint aujourd'hui, de même que le taux d'exsolution.

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