Introduction

Le Noyau Externe de la Terre

La planète Terre peut être divisée en quatre couches : le noyau interne (ou graine) solide au centre, le noyau externe liquide, le manteau rocheux et la croûte à l’extérieur, sur la surface de laquelle nous vivons. Le noyau de la terre mesure environ 6 800 km de diamètre et commence environ à mi-chemin du centre de la planète (Figure 1b). Il est constitué à environ 90 % de fer et de nickel [1]. La taille du noyau interne est semblable à celle de la lune. Il est très chaud (>5 000 °C) et solide du fait de l’extrême pression du poids de la matière qui se trouve au-dessus de lui.

Un peu plus loin du centre de la terre, se trouve le noyau externe liquide, qui fait à peu près la taille de Mars. Le métal y est encore très chaud (>3 000 °C) mais, malgré la forte pression, le noyau externe est en fait très fluide, car la chaleur surpasse les effets de la pression. Le noyau externe est aussi fluide que l’eau à la surface de la Terre. Cela signifie que le métal bouge constamment et s’écoule, à la façon des océans. De la même manière que lorsque vous remuez rapidement une tasse, la rotation rapide de la Terre une fois par jour fait tourner également le noyau externe.

Le noyau essaie de se refroidir. Cependant, le manteau rocheux entre le noyau et la surface agit comme une couverture, empêchant le noyau de refroidir trop rapidement. Le noyau essaie de trouver d’autre façons de se débarrasser de la chaleur et de l’énergie excessives. Une façon de le faire est de créer un champ magnétique. Le champ magnétique peut se propager jusqu’à la surface de la Terre, permettant à une petite quantité d’énergie d’être libérée par le noyau.

L’électricité crée un champ magnétique

Le magnétisme et l’électricité sont liés physiquement – on obtient en général l’un lorsque l’autre est créé, et il en est de même au niveau du noyau. Le métal liquide du noyau est trop chaud pour constituer un aimant permanent, comme l’aimant d’un réfrigérateur, mais c’est un matériau conducteur d’électricité, tout comme un fil de cuivre. Tout comme les fils dans votre maison, ce liquide transporte un courant électrique très important, qui à son tour crée un champ magnétique.

L’électricité est créée par le mouvement du métal liquide, un peu à la façon d’une éolienne qui crée de l’électricité à partir du mouvement de ses pales. Cette électricité s’écoule autour de l’équateur de la planète en une très grande boucle et crée un fort champ magnétique qui s’échappe du noyau externe. Ce champ magnétique s’étend jusqu’à la surface de la Terre et vers l’espace.

Cela donne un champ magnétique semblable à celui d’une barre aimantée (Figure 1a). Ce champ magnétique s’étend dans l’espace en formant une ≪ bulle ≫ au sein de laquelle se trouve la Terre. Cette bulle magnétique protège la Terre du champ magnétique du Soleil, et évite que celui-ci ne réduise à néant l’atmosphère de la Terre en quelques milliards d’années.

La manière dont le champ magnétique de la Terre est créé est très complexe et n’est pas encore totalement comprise par les scientifiques aujourd’hui. On pense que la boucle de courant électrique au niveau du noyau ne forme pas un cercle parfait autour de l’équateur, ce qui explique pourquoi le champ magnétique est un peu ≪ penché ≫, d’environ 11 °, par rapport à l’axe de rotation de la Terre. La force du courant électrique évolue également avec le temps, si bien que cela modifie le champ magnétique à la surface de la Terre. Au final, les mouvements du métal liquéfié ≪ tirent ≫ le champ magnétique vers l’ouest. Tous ces différents processus se combinent pour rendre le champ magnétique très complexe et il est difficile de prédire comment il va se modifier au cours du temps. Environ quatre fois par million d’année, le champ magnétique connaît une inversion qu cours de laquelle les pôles ≪ basculent ≫, bien que cela prenne plusieurs milliers d’années pour se produire.

Le champ magnétique à la surface de la terre

Alors que la forme générale du champ magnétique de la Terre est semblable à celle d’une simple barre aimantée, si vous regardez le champ magnétique plus en détail, il est beaucoup plus compliqué que cela. En général, l’aiguille d’une boussole est orientée à peu près vers le nord, mais elle n’est pas orientée vers le Nord géographique (le point autour duquel la Terre tourne). L’angle entre le Nord géographique et la direction vers laquelle est orientée l’aiguille de la boussole s’appelle la déclinaison. L’aiguille d’une boussole est orientée vers un lieu appelé pôle Nord magnétique.

Le champ magnétique est très utile pour la navigation. Les chinois utilisaient déjà des boussoles rudimentaires dans les années 1100 pour trouver leur cap. La première carte a été dressée en 1699 par Edmund Halley, qui a par ailleurs donné son nom à la fameuse comète de Halley, dans le but d’être utilisée par les navires voguant dans l’océan Atlantique. Il se rendit compte que le champ magnétique se modifiait constamment et suggéra qu’il devait y avoir une couche liquide au centre de la Terre. Le pôle Nord magnétique a été découvert par James Clark

Ross en 1831 au Canada. Cependant, pour compliquer encore les choses, le pôle Nord magnétique ne reste pas au même endroit mais se déplace en permanence, en raison des mouvements du noyau externe.

À présent (en 2019), le pôle Nord magnétique se trouve toujours dans le Nord du Canada, mais il se déplace à un rythme d’environ 50 km par an et passera dans le Nord de la Russie au cours de la prochaine décennie. La Figure 2 indique les emplacements des pôles Nord et Sud magnétiques de 1900 à 2020. Remarquez comme le pôle Nord a bougé rapidement depuis 2000, tandis que le pôle Sud n’a guère bougé en comparaison.

Dresser une carte

Dresser une carte du champ magnétique est assez simple, en théorie. Tout ce dont vous avez besoin est un dispositif GPS (tel qu’un smartphone) pour déterminer exactement votre emplacement et pour vous aider à trouver la direction du Nord géographique. Vous aurez également besoin d’une boussole. Tout d’abord, servez-vous du GPS pour déterminer la direction du Nord géographique. Cela peut se faire en plaçant deux bâtons dans le sol le long d’une ligne de longitude constante. Mettez-vous entre les bâtons et déterminez l’angle entre l’aiguille de la boussole et la ligne du Nord géographique que vous avez tracée en utilisant les deux bâtons. Félicitations, vous avez mesuré la déclinaison ! Pour dresser une carte, répétez cette mesure en un autre endroit, puis encore un autre. Faites-le un million de fois à travers le monde entier, y compris dans les océans et les déserts, et votre travail sera achevé... au moins pour quelques années, jusqu’à ce que le Nord magnétique se déplace. Bien évidemment, c’est impossible à faire pour un être humain, mais c’est faisable par satellite.

Depuis 1999, il y a eu trois missions satellitaires européennes destinées à effectuer des mesures précises du champ magnétique de la Terre. La Figure 1b indique comment un satellite détecte le champ magnétique provenant du noyau externe. Le trio actuel de satellites, appelé Swarm, évolue entre 450 et 500 km au-dessus de la surface de la Terre et se déplace à 8 km par seconde. Il leur faut environ 90 minutes pour accomplir une révolution autour de la Terre et ils décrivent 15 orbites par jour. Au bout de 4 mois, ils effectuent suffisamment de mesures à travers le globe pour pouvoir dresser une carte [2].

Les mesures des satellites sont rassemblées sur un ordinateur, sur lequel un processus mathématique appelé inversion est utilisé pour dresser une carte (ou un cliché) du champ magnétique à un certain moment dans le temps. La Figure 3 montre une carte de l’angle de déclinaison pour janvier 2019, illustrant la complexité du champ magnétique dans la réalité.

Étant donné que les modifications du champ magnétique ne sont pas prévisibles au-delà de 10 ans, ces cartes du champ magnétique sont mises à jour régulièrement tous les 5 ans.

Certaines cartes sont créées, pour un usage gratuit, par un groupe de scientifiques du monde entier et sont connues sous le nom de Champ géomagnétique international de référence, ou IGRF [3]. Dresser une bonne carte représente un immense effort, qui prend plusieurs mois de travail. La dernière version a été publiée en 2015 et la prochaine sera prête vers 2020.

Carte magnétique sur votre smartphone

Vous êtes probablement familier de la façon dont on utiliser le champ magnétique de la Terre – il suffit de penser aux navires qui naviguent sur l’océan ou aux personnes qui marchent dans les montagnes. Mais si vous avez déjà utilisé une carte sur un smartphone pour trouver où vous devez aller, alors vous avez aussi déjà utilisé une carte du champ magnétique terrestre.

Lorsque vous ouvrez l’application cartographique, votre emplacement est habituellement indiqué par un petit point avec une flèche ou un triangle indiquant la direction que vous cherchez. Les smartphones utilisent une boussole intégrée pour déterminer la direction du Nord magnétique. Cependant, comme les cartes sont alignées sur le Nord géographique, le logiciel du téléphone doit corriger la différence de déclinaison. Le téléphone utilise votre localisation GPS pour déterminer l’angle correct à partir d’une carte de déclinaison, comme celle de l’IGRF. Sur la Figure 3, vous pouvez voir que, dans certaines parties du monde, la valeur de cet angle peut atteindre 45 °.

Conclusion

Dresser des cartes du champ magnétique de la Terre est un processus compliqué qui doit être répété au moins une fois tous les 5 ans afin de maintenir les cartes à jour. Ces cartes peuvent nous renseigner sur le noyau externe de la Terre, et elles sont également utiles pour de nombreuses applications pratiques que vous avez sans doute expérimentées, par exemple quand il s’agit de se déplacer dans une ville avec un smartphone.

Glossaire

Le noyau externe: ↑ C’est la couche de métal liquide à l’intérieur de la terre, dont la limite supérieure se situe à mi-chemin du centre.

Matériau conducteur d’électricité: ↑ Un matériau qui permet à l’électricité de le traverser facilement.

Déclinaison: ↑ L’angle entre le Nord magnétique et le Nord géographique.

Nord magnétique: ↑ Le point à la surface de la Terre où le champ magnétique pointe directement vers le centre de la terre.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que les travaux de recherche ont été menés en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un potentiel conflit d’intérêts.

Déclaration d’utilisation des outils d’IA

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