Ce sont les Grecs qui, à l'époque de Thalès (-600 avant JC), découvrent les propriétés magnétiques de la magnésie, cette pierre capable d'attirer à elle de petits objets en fer. Puis les Chinois trouvent une application au magnétisme en inventant la boussole au III ème siècle avant JC, mais la boussole ne sera utilisée pour la navigation que très tardivement : à partir du XII ème siècle.
Qu'est-ce qu'un champ magnétique ?
D'abord, qu'est-ce qu'un champ de vecteurs ? Si on regarde une carte météo, on voit des flèches qui indiquent la direction du vent, et la force du vent est indiquée par la taille des flèches.
Quand on place les flèches bout à bout, on obtient des lignes de champ.
Ces lignes de champ dessinent des courbes qui sont toujours alignées avec les vecteurs. Il en est de même pour le champ magnétique : on peut tracer des lignes de magnétisme plus ou moins épaisses sur la surface de la terre, car son action n'est pas égale en tous points du globe.
Chaque aimant possède un pôle Nord et un pôle Sud, (un dipôle), le champ magnétique terrestre ne fait pas exception. Comme on le voit sur cette infographie, le pôle Nord magnétique ne coïncide pas exactement avec le pôle Nord géographique, qui lui est défini par l'axe de rotation de la terre, les pôles magnétiques étant définis par les lignes de champ magnétique.
Pour que les deux coïncident, il faudrait que la terre soit un énorme aimant, ce qui n'est bien sûr pas le cas. Il va donc nous falloir trouver une autre origine au champ magnétique terrestre.
L'origine du champ magnétique terrestre :
Grâce aux ondes sismiques, on a pu analyser la structure interne de la terre :
En son cœur on trouve un noyau solide constitué de fer et de nickel (la graine), autour duquel on a toujours du fer et du nickel, mais cette fois à l'état liquide (le noyau externe), puis on trouve le manteau constitué de roches, et enfin la croute terrestre. Si on trouve des minerais naturellement magnétiques à la surface de la terre (magnésie), les travaux de Pierre Curie on démontré que les matériaux perdent leur propriétés magnétiques au fur et à mesure que l'on s'enfonce vers le centre. Cette perte de propriété magnétique est due à l'augmentation de la température, autour de 600° C, que l'on appelle la température de Curie.
L'effet dynamo :
On l'a vu au paragraphe précédent, pour créer un champ magnétique, on peut utiliser un aimant. Mais pas que. Si l'on enroule un fil électrique autour d'un axe, on crée une bobine. Et un champ magnétique va spontanément apparaitre dans l'axe dès lors qu'un courant électrique sera appliqué à la bobine. L'inverse fonctionne aussi : une variation de champ magnétique dans cet axe va produire de l'électricité aux bornes de la bobine (dynamo).
Revenons-en à la terre : la graine et le manteau sont solides, mais le noyau externe emprisonné entre la graine et le manteau est liquide. Le fer et le nickel conduisent l'électricité. La partie du noyau externe qui se trouve au plus proche de la graine est plus chaude que la partie qui se trouve près du manteau. Par effet de convection, le fer et le nickel très chauds remontent vers le manteau, poussant le fer et le nickel moins chaud vers la graine. Ce mouvement mécanique va créer un courant électrique qui à son tour va générer un champ magnétique. Ce mouvement de convection est perturbé par la rotation de la terre sur elle même (forces de Coriolis : celles qui font que les cyclones tournent tous dans le même sens dans un hémisphère, mais dans l'autre sens dans l'autre hémisphère). Ces forces de Coriolis vont créer des spirales dans le noyau, créant des lignes de champ magnétique, se regroupant en une ligne de champ globale plus ou moins alignée avec le pôle Nord géographique.
Une expérience française (VKS) a permis de valider l'effet dynamo à l'échelle de la terre : du sodium est enfermé dans un cylindre dont les extrémités sont des disques de fer tournant en des sens opposés. Cette expérience reproduit au mieux les mouvements de convection dans le noyau terrestre. En tournant à une certaine vitesse, un champ magnétique apparait spontanément au sein du cylindre. On va y revenir.
Le mouvement des pôles magnétiques :
En 2021, l'angle entre les pôles magnétique et géographique n'est que de 11°. Mais cette valeur bouge constamment comme nous le montre la carte ci-contre, à cause des courants de convection dans le noyau qui ont tendance à fluctuer.
On découvre que le pôle Nord magnétique se trouvait au Canada entre 1850 et 1900, et qu'il revient progressivement au plus proche de l'axe de rotation terrestre. On s'aperçoit également que sa vitesse de déplacement est en accélération : en 20 ans, il a parcouru à peu près autant que durant tout le 20 ème siècle ! Pour autant, le pôle Sud magnétique, lui, n'a pas bougé !
OK, le pôle Nord magnétique se balade, mais pas que : si on mesure son intensité, on s'aperçoit que celle-ci ne fait que diminuer depuis 3 siècles. Et cette diminution d'intensité, elle aussi, s'accélère. Encore une bizarrerie : l'intensité du champ n'est pas égale sur toute la surface du globe : pour preuve, l'anomalie de l'Atlantique Sud, où le champ est toujours plus faible qu'ailleurs. Cette perturbation locale de l'Atlantique Sud (il y en a d'autres) est d'ailleurs en train de s'étendre, et son intensité baisse plus vite que la moyenne.
L'inversion des pôle :
Irait-on vers une inversion des pôles ? Est-ce possible ? Est-ce déjà arrivé ?
Eh bien oui, et de nombreuses fois !
Et c'est d'ailleurs grâce à cela que l'on a pu établir la théorie de la tectonique des plaques : lorsque le magma remonte à la surface (lave volcanique) il refroidit en dessous de la température de Curie et devient partiellement magnétique. Sa structure atomique va alors se figer dans la direction du champ magnétique de l'époque où il a refroidit. Quand on sonde les dorsales volcaniques, on trouve une alternance de couches orientées dans le sens du champ magnétique actuel et d'autres orientées dans le sens opposé. Et ce partout sur la planète. Intéressant non ? On en conclue donc que le champ magnétique terrestre s'est inversé de nombreuses fois par le passé.
En regardant l'infographie ci-contre, on s'aperçoit que sur les 200 derniers millions d'années, on compte environ 300 inversions. Comme la dernière remonte à 780.000 ans, on a envie de dire que la prochaine est pour bientôt. Mais on voit aussi que le processus est assez aléatoire, donc faire des prévisions là-dessus n'a pas beaucoup de sens.
Comme on l'a vu, le champ magnétique baisse en intensité et on serait tenté d'en déduire qu'à force de diminuer on pourrait arriver à une inversion.
Si l'on revient à l'expérience VKS citée plus haut, les chercheurs ont remarqué que le champ magnétique s'inversait en jouant sur la vitesse de rotation des disques de fer.
Ce que démontre également cette expérience, c'est que parfois l'intensité du champ magnétique se rapproche de zéro mais, au lieu de s'inverser, reprend en intensité. On appelle cela une excursion.
Les conséquences :
Pendant la phase d'inversion, l'intensité devient tellement faible que le dipôle disparait. Il ne reste alors que des perturbations locales, avec des pôles N et des pôles S un peu partout dans tous les sens. De fait, il n'y a plus ce bon gros champ global qui protège la terre du flux de particules à haute énergie que nous envoie le soleil. Pour connaître le rôle de protection du champ magnétique terrestre je vous renvoie à l'apparition de la vie sur terre.
Une grosse EMC avec une protection normale du champ magnétique serait déjà fatale pour nos équipements électrique & informatique (perte de GPS, des moyens de communication, coupures de courant...) mais les dégâts seraient décuplés si cette EMC arrivait en pleine phase d'inversion.
Concernant la vie sur terre, les chercheurs n'ont pas trouvé de corrélation entre les inversions de pôles et les grandes extinctions d'espèces, mais avec un tel bombardement de flux de particules on peut s'attendre à une forte augmentation des cancers, des mutations génétiques, affaiblissement du système immunitaire. Si vous trouvez que c'est moche, c'est peut-être pas le pire : lorsque le champ magnétique va reprendre son activité normale, il va déclencher des mouvements de convection très importants, entrainant une activité volcanique intense qui engendrera un refroidissement climatique.
Ça ne sera pas la fin du monde, mais on va douiller quand-même... Enfin je dis nous, je parle de l'humanité, car gardez à l'esprit que ces changements se font une l'échelle de temps géologique, donc pour vous qui lisez ces lignes, vous pouvez dormir tranquille !
Michel Havez, 23 Septembre 2021.
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