DECORTIQUAGES

Le champ magnétique terrestre dérive vers l’Ouest : la faute à Coriolis

CNRS

Le champ magnétique de la Terre présente des anomalies qui dérivent lentement vers l’Ouest à une vitesse d’environ vingt kilomètres par an. Ce phénomène, observé pour la première fois il y a plus de 300 ans par Edmund Halley, n’avait encore reçu aucune explication satisfaisante. Des chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, PRES Sorbonne Paris Cité) et du National Space Institute (Université technique du Danemark) en présentent dans la revue Nature du 10 octobre 2013 une explication théorique simple, confortée par des simulations numériques qui reproduisent la dérive géomagnétique vers l’Ouest sur de longues périodes de temps. Ces simulations pourraient trouver des applications utiles dans les années à venir.

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Habillage d’artiste d’une simulation numérique de la géodynamo. La graine est en brun foncé. Le plan équatorial dans le noyau est en rouge, et les rubans gris représentent l’écoulement fluide responsable de la dérive géomagnétique vers l’ouest (J. Dyon & J. Aubert, IPGP/CNRS).

Notre champ magnétique provient du refroidissement de la planète qui crée des mouvements convectifs dans le fer en fusion du noyau liquide, situé à 2900 kilomètres sous nos pieds. Dans un tel fluide en mouvement, conducteur d’électricité, l’énergie mécanique de la convection est transformée en énergie électromagnétique, c’est-à-dire qu’elle produit le champ magnétique. C’est l’effet dynamo. Les simulations numériques de la géodynamo ont fait de formidables progrès au cours des vingt dernières années, grâce à l’augmentation de la puissance des ordinateurs. Elles parviennent à reproduire le dipôle magnétique de la Terre ainsi que ses inversions de polarité intermittentes. À ce jour, ces modèles n’étaient en revanche pas encore parvenus à reproduire la dérive géomagnétique vers l’Ouest.

Mais, qu’est-ce que la dérive géomagnétique vers l’Ouest ?

Telle qu’elle a été observée par Edmund Halley en 1692, la dérive géomagnétique repose sur le déplacement vers l’Ouest de lignes le long desquelles le Nord magnétique observé correspond exactement au Nord géographique. Aujourd’hui, les mesures satellitaires permettent d’obtenir une couverture globale du champ magnétique à la surface du noyau, où il trouve sa source. Ces cartes révèlent des taches de flux magnétique près de l’équateur dans l’océan Atlantique qui se déplacent vers l’ouest à la vitesse d’environ 20 kilomètres par an. Pour le passé antérieur à l’ère des données satellites, il est possible d’utiliser les données des observatoires magnétiques (à partir de 1840) et les données extraites des carnets de navigation (à partir de 1590).

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Visualisation du modèle numérique (informatique) simulant la géodynamo, vue du pôle nord (la Terre en médaillon donne l’angle de vue). Les rubans grisés représentent le mouvement général vers l’ouest du fluide dans le noyau. Le plan équatorial présentent le motif de cet écoulement dans  le plan équatorial: en bleu, fluide allant vers l’ouest, en rouge, fluide allant vers l’est. © J. Aubert et al. 2013

Le mystère de la dérive géomagnétique vers l’Ouest  élucidé ?

La Terre peut être vue comme un ensemble d’enveloppes dynamiquement couplées les unes aux autres. En effet, le noyau liquide est lié d’un côté (à sa base) à la graine, une boule de fer solide de 1200 kilomètres de rayon existant en son centre, et de l’autre au manteau qui l’entoure. Les auteurs montrent que la nature exacte de ces couplages est la clé de l’explication de la dérive vers l’Ouest du champ magnétique.

Le principe de base repose sur l’influence particulière de la force de Coriolis s’exerçant sur tous les fluides géophysiques, dont l’atmosphère et les océans, mais aussi le noyau liquide. C’est une force que subissent tous les objets en mouvement dans un référentiel en rotation, comme la Terre, et qui dévie leur trajectoire. À la base du noyau (au sommet de la graine), la force de Coriolis dévie les panaches convectifs montants de telle sorte que le fluide environnant la graine tourne un peu plus vite vers l’Est que le reste de la planète. La graine, elle-même couplée à ce fluide par de puissantes forces magnétiques, est entrainée à tourner vers l’Est. La plupart des modèles classiques de la géodynamo s’arrêtent à ce point et prédisent que la graine tourne plus vite que le noyau et le manteau, on parle de la super-rotation de la graine1 .

Pour les auteurs de l’article, ces couplages ne s’arrêtent pas là. Leur modèle numérique prend en compte le fait que la graine est aussi couplée au manteau par des forces gravitationnelles résultant de l’attraction de leurs anomalies de masse respectives. Sous l’effet de cette attraction, le manteau est également entraîné vers l’est par la graine et finit par tourner aussi vite qu’elle, si bien que le reste du noyau liquide tourne un peu moins vite vers l’est que l’ensemble graine-manteau-base du noyau. Ainsi, le fluide du noyau serait perçu comme dérivant vers l’Ouest pour les observateurs attachés au manteau que nous sommes tous ! Et, de surcroît, la super-rotation de la graine n’existerait pas.

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 © J. Aubert et al. 2013

L’application de ce principe simple dans un modèle numérique de la géodynamo montre pour la première fois qu’il est possible de reproduire le signal magnétique associé à la dérive vers l’ouest avec une précision surprenante, sur une période de temps aussi longue que les 400 ans d’observation du champ magnétique.

Le modèle obtenu promet de nombreuses applications géophysiques, parmi lesquelles la prédiction de l’évolution du champ géomagnétique dans le prochain siècle, à la manière d’une « météo du noyau ». Celle-ci était auparavant difficile à réaliser, car nous ne disposions pas d’un modèle capable de reproduire la dérive vers l’Ouest. La météo du noyau est de plus très utile car elle conditionne l’état de la magnétosphère, qui protège nos satellites du vent solaire.

Le modèle permet aussi de disposer de précieuses contraintes issues de l’observation sur la dynamique de la graine, nouvelle frontière des connaissances géophysiques de l’intérieur de notre planète.

Note(s):

1- La super-rotation de la graine a initialement trouvé une possible confirmation sismologique, mais sa réalité est aujourd’hui encore remise en question.

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