Une vue d'artiste du vent solaire comprimant les lignes de champs du bouclier magnétique de la Terre, protégeant son atmosphère de l'action d'érosion de ce champ. © Esa
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Les atmosphères de la Terre et de la Lune étaient magnétiquement connectées il y a des milliards d'années

ActualitéClassé sous :système Terre-Lune , géophysique , noyau

Il y a des milliards d'années, la Lune générait un champ magnétique plus intense que celui de la Terre et possédait encore une atmosphère. Les deux magnétosphères de ces planètes étaient connectées et du même coup, leurs atmosphères aussi étaient mutuellement protégées de l'érosion du vent solaire selon certains chercheurs.

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[EN VIDÉO] Le noyau de la Terre reconstitué en laboratoire  En faisant tourner du sodium liquide autour d'une sphère de 23 tonnes, les géophysiciens de l'université du Maryland simulent les conditions qui règnent autour du noyau de notre Planète. But du jeu : comprendre pourquoi la Terre est la seule planète tellurique du Système solaire à posséder un champ magnétique important qui nous protège des colères du Soleil. Voici cette étonnante expérience en vidéo. 

La planétologie consiste à construire des modèles géophysique et géochimique de la Terre et à les comparer à ceux que l'on peut construire des autres planètes du Système solaire au moyen des observations faites, soit avec des télescopes au sol, soit avec des missions spatiales. On peut ainsi faire progresser tous les modèles, notamment parce que la nature fait, en quelque sorte pour nous, des expériences en changeant les conditions déterminant par exemple le comportement des atmosphères ou des champs magnétiques des planètes.

Dans le cas de la Terre, nous avons ainsi pu construire un modèle de géodynamo qui explique que la combinaison de la rotation de notre Planète, avec un cœur contenant un alliage liquide de fer et de nickel en convection turbulente à des milliers de degrés et sous plusieurs millions d'atmosphères, donne lieu à l'existence d'une dynamo auto-excitatrice.

Elle génère un champ magnétique principalement sous forme dipolaire donc, comme celui d'une barre aimantée, et dont on sait grâce au paléomagnétisme qu'il a évolué au cours du temps en donnant des inversions magnétiques enregistrées dans des roches. Cette dynamo et son comportement ont été explorés aussi bien avec des simulations numériques sur ordinateur qu'avec la fameuse expérience VKS.

Si le champ magnétique de la Terre joue un rôle protecteur en ce qui concerne les rayons cosmiques et en particulier contre l'érosion de l'atmosphère de la Terre qui se produirait sous l'action du vent solaire sans son bouclier magnétique, on ne sait pas très bien quand il s'est mis en place mais on sait que, dans le cas de Mars, il s'est relativement vite arrêté et c'est ce qui a largement conduit à la perte de son atmosphère.

Le bouclier magnétique de Mars a rapidement disparu, ce qui a permis au vent solaire d'éroder son atmosphère. La Lune a subi le même sort mais pas la Terre. Des explications dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Video

La Lune et la Terre étaient plus proches il y a 4 milliards d'années

Aujourd'hui, une publication dans le célèbre journal Science Advances faite par une équipe de chercheurs états-uniens suggère que l'habitabilité de la Terre et la survie de son atmosphère au cours des premiers milliards d'années de son existence ont été favorisées par le fait que notre Planète bleue et la Lune, que l'on peut considérer comme une planète double, partageaient un champ magnétique protecteur commun avant que celui de la Lune ne disparaisse, il y a probablement 1 milliard d'années.

Cette affirmation provient de simulations qui ont été faites sur les interactions des champs magnétiques lunaires. Elles sont basées sur les données collectées dans les échantillons lunaires par les missions Apollo et par le fait que l'on sait que, après sa formation à la suite de la collision entre la Terre et Théia, notre satellite naturel était bien plus proche. Les lois de la mécanique céleste et de la géophysique nous disent en effet que, du fait des interactions de marée entre la Lune et la Terre déformant sa forme, et en particulier conduisant au renflement de ces océans provoquant des frictions entre leurs eaux et leurs fonds à cause de la rotation de la Terre, celles-ci ont conduit la Lune à s'éloigner de la Terre en dissipant de l'énergie de rotation. Ainsi, il y a environ 4 milliards d'années, la Lune était trois fois plus proche de la Terre -- sa distance moyenne actuelle est d'environ 380.000 kms.

« Lever de terre » sur la lune. Photo prise le 24 décembre 1968 par Bill Anders, et montrant la terre semblant se lever derrière l'horizon lunaire. Ce phénomène n'est visible que par quelqu'un en orbite autour de l'astre. À cause de la rotation synchrone de la Lune, qui montre toujours la même face vers la Terre, on ne voit pas la Terre se lever ou se coucher depuis la surface de la Lune. © Wikipédia, Nasa

On sait aujourd'hui que la Lune possédait un champ magnétique mais lorsque la sonde spatiale soviétique Luna 1 a survolé notre satellite le 4 janvier 1959, les mesures effectuées avec son magnétomètre ont montré que la Lune n'avait pas de champ magnétique intrinsèque supérieur à 1/10.000 de celui de la Terre. Ce n'est qu'avec les instruments que les astronautes d'Apollo 12 ont déposés à la surface de la Lune qu'un champ magnétique faible, mille fois plus faible que le champ actuel, a finalement été mesuré. Ce champ est une mémoire magnétique rémanente dans les roches lunaires.

Certains ont pensé qu'il pouvait s'agir de magnétisations locales produites par d'anciens impacts mais des chercheurs comme Benjamin Weiss, professeur de sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes au Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont conduit ces dernières années des travaux en étudiant les échantillons des roches lunaires montrant que, dans le passé, la Lune possédait bien un fort champ magnétique généré par une dynamo interne. Cette dynamo s’est ensuite arrêtée faute d'énergie, la Lune étant trop petite pour avoir un stock de chaleur et de sources d'énergie aussi importants que dans le cas de la Terre.

Il y a des milliards d'années la Lune devait posséder un bouclier magnétique protecteur contre le vent solaire similaire à celui de la Terre avec des lignes de champ magnétique comme celles sur le schéma ci-dessus. © Nasa

Les magnétosphères de la planète double fusionnaient

Les modélisations conduites aujourd'hui exposées dans Science Advances montrent donc que les champs magnétiques de la Terre et de la Lune fusionnaient il y a des milliards d'années et celui de la Lune aidait à la protection de la Terre contre le vent solaire, favorisant donc le développement de la vie. Rappelons au passage que l'on a proposé à plusieurs reprises que des marées océaniques importantes ont pu favoriser l'apparition de la vie du fait de la plus grande proximité de la Lune et que sa présence a pu aider à stabiliser l'axe de rotation de notre Planète, équilibrant du même coup son climat (la question est débattue).

Il y a une conséquence remarquable dans ces travaux qui jettent une nouvelle lumière sur la présence de quantités anormales d'azote dans certains échantillons de roches lunaires selon les chercheurs comme l'explique un communiqué de la Nasa au sujet de cette découverte.

Possédant un champ magnétique, la Lune devait aussi posséder une atmosphère et du fait de sa proximité avec la Terre, des interactions entre les deux atmosphères pouvaient se produire. En effet, les rayons UV du Soleil ont dû « photo-dissocier » des atomes neutres de la haute atmosphère de la Terre qui contenait déjà beaucoup d'azote. Ces ions ont dû spiraler autour des lignes de champs magnétiques (voir la vidéo sur l'érosion de l'atmosphère martienne ci-dessus) connectant les deux planètes de sorte qu'une partie des atomes de l'atmosphère lunaire a dû se retrouver sur la Lune, notamment au niveau de ses pôles.

Sur ce schéma, on voit comment les deux champs dipolaires analogues chacun à celui d'une barre aimantée et associés à la Lune et la Terre devait se combiner il y a des milliards d'années en réponse à la pression du vent solaire. On voit aussi que des ions des atmosphères de l'époque spiralaient autour des lignes de champs et pouvaient passer d'un pôle à l'autre. © Nasa

Les futures missions lunaires à destination des pôles, comme ce sera sans doute le cas pour Artemis, et qui devraient rapporter encore plus de roches lunaires pourraient donc être bavardes, non seulement sur l'évolution du champ magnétique lunaire, mais aussi sur celui de la Terre et de son atmosphère passée. Il y aurait là aussi de nouvelles contraintes et informations pour les modèles d'évolution de notre planète double.

  • Véritable bouclier contre les particules à hautes énergies, notamment celles du vent solaire, le champ magnétique d'une planète comme la Terre est produit par les mouvements convectifs d'un alliage de fer et de nickel dans un noyau liquide.
  • On a des raisons de penser que la Lune avait aussi un tel bouclier il y a des milliards d'années et il devait se combiner avec celui de la Terre en protégeant leurs deux atmosphères respectives d'après certains chercheurs.
  • Des ions des deux atmosphères devaient passer d'une planète à l'autre, d'autant plus que la distance de la Terre à la Lune était un tiers plus petite il y a 4 milliards d'années.
Pour en savoir plus

Le champ magnétique terrestre peut dire merci à la Lune

Article du CNRS publié le 26/07/2017

Le champ magnétique des planètes est produit par des mouvements de convection dans le noyau liquide. Mais d'où vient donc l'énergie nécessaire au maintien de ces mouvements ? Réponse : des forces de marée, aussi bien en ce qui concerne la Terre que certaines lunes du Système solaire.

Les scientifiques s'accordent à dire que la formation et le maintien des champs magnétiques résultent d'écoulements de fer dans le noyau liquide. Les discussions se compliquent quand il s'agit de déterminer ce qui permet à ces masses colossales de se mouvoir. Le modèle dominant se base sur le lent refroidissement des astres, qui entraîne une convection, qui crée à son tour de grands tourbillons de fer fondu parallèles à l'axe de rotation du corps céleste.

Or, les petites planètes et les lunes se refroidissent trop vite pour qu'un champ magnétique puisse encore s'y maintenir par convection, plusieurs milliards d'années après leur formation. Des chercheurs de l'Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS, Aix-Marseille université, Centrale Marseille) et de l'université de Leeds (Royaume-Uni) ont donc présenté un modèle alternatif où ce sont les interactions gravitationnelles entre les astres qui agitent le noyau.

On sait faire une simulation d'une parcelle cubique située au sein du noyau liquide d'une planète déformée par les effets de marées comme c'est le cas avec Europe, la lune de Jupiter. En concentrant leurs efforts numériques sur ce domaine réduit, les chercheurs ont accédé à des régimes proches des régimes planétaires. L'écoulement prend alors la forme d'une superposition d'ondes qui interagissent non-linéairement jusqu'à former une turbulence tridimensionnelle d'ondes inertielles (cf. champ de vorticité verticale au centre), en opposition aux modèles classiques où l'écoulement évolue vers des structures tourbillonnaires à plus grande échelle, alignées avec l'axe de rotation (cf. champ de vorticité verticale à droite). © Thomas Le Reun, Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS, Aix-Marseille université, Centrale Marseille)

Les marées déforment le noyau

Les marées, produites par ces interactions gravitationnelles, déforment en effet le noyau périodiquement et amplifient les mouvements ondulatoires naturellement présents dans le fer liquide en rotation. Ce phénomène finit par produire un écoulement complètement turbulent, dont la nature n'est pas encore bien comprise. Afin de l'étudier, les chercheurs ont utilisé un modèle numérique d'une petite parcelle d'un noyau planétaire, plutôt qu'une simulation du noyau dans son ensemble, qui serait bien trop gourmande en puissance de calcul.

Cette approche permet de caractériser finement les mouvements créés dans les régimes géophysiques extrêmes, tout en gardant les ingrédients physiques essentiels. Les chercheurs ont ainsi montré que la turbulence résulte d'une superposition d'un très grand nombre de mouvements ondulatoires qui échangent entre eux en permanence de l'énergie. Cet état particulier, appelé turbulence d'ondes, peut être vu comme un analogue en trois dimensions du mouvement de la surface de la mer, loin des côtes.

Ces travaux ouvrent la voie à de nouveaux modèles permettant de mieux comprendre et prédire les propriétés du champ magnétique des astres. Ce modèle de marées s'appliquerait à tous les corps en orbite, suffisamment déformés par les étoiles, planètes ou lunes voisines.


Les forces de marée activent le champ magnétique de la Lune

Article du CNRS publié le 01/04/2016

Le champ magnétique terrestre nous protège chaque jour des particules chargées et des radiations issues du rayonnement solaire. Mais comment a-t-il réussi à se maintenir jusqu'à aujourd'hui ? Selon le modèle classique, c'est grâce au noyau terrestre, qui se serait refroidi d'environ 3.000 degrés au cours des derniers 4,3 milliards d'années. Cependant, une nouvelle étude suggère au contraire que la température au cœur de la Terre aurait baissé de seulement 300 degrés. L'action de la Lune, négligée jusqu'à présent, aurait alors compensé cette différence pour maintenir la géodynamo active.

Le modèle classique de formation du champ magnétique terrestre soulevait un paradoxe majeur : pour que la géodynamo fonctionne, la Terre aurait dû être complètement fondue il y a quatre milliards d'années et son noyau aurait dû refroidir lentement, passant d'environ 6.800 °C à l'époque, à quelque 3.800 °C aujourd'hui.

Des travaux récents de modélisation de l'évolution précoce de la température interne de notre planète ont été menés, tout comme des études géochimiques sur la composition des carbonatites et des basaltes les plus anciens. Tous deux vont à l'encontre d'un tel refroidissement.

Des températures aussi élevées sont donc exclues. D'ailleurs, l'équipe de chercheurs du CNRS et du laboratoire Magmas et volcans, de l'université Blaise Pascal, propose une autre source d'énergie dans une étude publiée dans la revue Earth and Planetary Science Letters.

Les effets gravitationnels associés à la présence de la Lune et du Soleil induisent sur Terre la déformation cyclique du manteau et des oscillations de l’axe de rotation. Ce forçage mécanique appliqué à toute la Planète induit de forts courants dans le noyau externe constitué d’un alliage de fer de très faible viscosité. Ces courants sont suffisants pour générer le champ magnétique terrestre. © Julien Monteux, Denis Andrault

Un effet déjà vu ailleurs dans le Système solaire

La Terre adopte une forme aplatie, tourne autour d'un axe incliné qui oscille autour des pôles et son manteau se déforme élastiquement par un effet de marée dû à la Lune. Les chercheurs ont montré que cet effet pourrait stimuler continuellement les mouvements de l'alliage de fer liquide qui constitue le noyau externe, et générer en retour le champ magnétique terrestre.

Une puissance de 3.700 milliards de watts est constamment fournie à la Terre par transfert des énergies gravitationnelle et de rotation du système Terre-Lune-Soleil, et jusqu'à plus de 1.000 milliards de watts seraient disponibles pour provoquer ce type de mouvements dans le noyau externe. Cette énergie est suffisante pour générer le champ magnétique terrestre ce qui, avec la Lune, résout le paradoxe majeur du modèle classique. Un tel effet des forces gravitationnelles sur le champ magnétique d'une planète est déjà amplement documenté pour Io, Europe, deux satellites naturels de Jupiter, et de nombreuses exoplanètes.

Puisque ni la rotation de la Terre autour de son axe, ni l'orientation de cet axe, ni l'orbite de la Lune ne sont parfaitement régulières, leur influence cumulée sur les mouvements dans le noyau est instable et peut faire fluctuer la géodynamo. Ce phénomène permet d'expliquer certains pulses de chaleur dans le noyau externe et à sa frontière avec le manteau terrestre.

Historiquement, cela a pu conduire à des pics de fusion dans le manteau profond et à d'éventuels évènements volcaniques majeurs à la surface de la Terre. Ce nouveau modèle souligne que l'influence de la Lune sur la Terre dépasse donc largement le simple cas des marées.

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