Pourquoi le champ magnétique terrestre s’inverse-t-il ?

la rédaction de Futura

Publié le 15/01/2021

Qui n'a pas joué aux explorateurs en tentant de s'orienter avec une boussole ? Depuis le XVe siècle, la propriété d'orientation de ces petites aiguilles aimantées est bien connue des navigateurs. Elle traduit l'existence d'un champ magnétique terrestre, qui, en plus de fournir un moyen d'orientation fiable, protège la Terre et sa biosphère des radiations solaires. Or, le champ magnétique terrestre est loin d'être stable. Les pôles magnétiques ne sont en réalité pas fixes et leur position évolue au fil des années, jusqu'à s'inverser.

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Ces épisodes d'inversion du champ magnétique, lorsque le pôle Nord devient pôle Sud et inversement, ont eu lieu des centaines de fois au cours de l'histoire de la Terre. Mais pourquoi le champ magnétique s'inverse-t-il épisodiquement ? Quelle est l'origine et le moteur de ces inversions ? 

Le champ magnétique terrestre, qu’est-ce que c’est ?

Imaginons un gros aimant dipolaire placé au centre de la Terre. Les lignes de force magnétiques ainsi créées représentent ce que l'on appelle le champ magnétique terrestre. Ces lignes de force recoupent la surface de la Terre suivant un angle qui varie en fonction de la latitude. Elles « entrent » de manière verticale au niveau d'un point que l'on nomme « pôle Nord magnétique » et en sortent de la même manière au pôle Sud magnétique. Au niveau de l'équateur magnétique, les lignes de champ sont horizontales. Actuellement, l'axe magnétique est décalé par rapport à l'axe de rotation de la Terre, ce qui veut dire que les pôles magnétiques et géographiques ne correspondent pas. Le pôle Nord magnétique est en ce moment situé en Sibérie et le pôle Sud en Terre Adélie, au large de l'Antarctique.

Si l'image d'un gros aimant dipolaire au centre de la Terre permet en première approximation la compréhension du champ magnétique, son origine est bien plus complexe. Tout se passe au niveau du noyau terrestre, qui fonctionnerait comme une dynamo auto-entretenue. À cause des variations de température en fonction de la profondeur, de la rotation de la Terre et des forces de Coriolis, le fer liquide formant le noyau externe est parcouru de courants de convection importants, structurés en colonnes tourbillonnantes parallèles à l'axe de rotation de la Terre. C'est ce puissant mouvement convectif, créant un effet dynamo, qui donnerait naissance au champ magnétique.

Inversions du champ magnétique au cours du temps

Au début des années 1900, les scientifiques ont découvert que les roches d’origine volcaniques avaient des directions d’aimantation variables. Certaines mesures indiquaient une aimantation dans le même sens que le champ magnétique actuel, d'autres indiquaient une aimantation totalement opposée, créant des « anomalies magnétiques ». De ces observations est née l'idée que le champ magnétique terrestre puisse s'inverser de façon épisodique. Cette hypothèse a été étayée au fil du temps et il existe aujourd'hui des échelles de polarités magnétiques recensant et datant les différentes inversions ayant eu lieu au cours de l'histoire de la Terre.

Ces échelles définissent des périodes de polarité « normales » lorsque le champ mesuré est identique à l'actuel, et des périodes de polarité « inverse » lorsque le champ mesuré est dans le sens opposé. Il apparaît clairement que les inversions ne sont ni régulières ni de durées égales. Les intervalles de temps correspondant à une polarité stable (normale ou inverse) sont appelés chrons et sont numérotés en partant de l'actuel (C0). La durée de chaque chron est extrêmement variable, allant de moins d'un million d'années à plusieurs dizaines de millions d'années (on parle alors de superchron). Leur fréquence est également très chaotique. Le champ magnétique s'est ainsi inversé environ 300 fois au cours des derniers 200 millions d'années. La dernière inversion a eu lieu il y a 773.000 ans.

Échelle de polarité magnétique pour la période récente. © U.S. Geological Survey 

L’origine des inversions du champ magnétique terrestre

Grâce aux mesures, on observe que les pôles ne sont pas immobiles et se déplacent. Sur les vingt dernières années, le pôle Nord a ainsi migré de plusieurs centaines de kilomètres et se déplace actuellement d'environ 55 km/an. En revanche, le pôle Sud ne se déplace que de 10 km/an. Ces variabilités, qui font que les deux pôles magnétiques ne sont pas nécessairement situés aux antipodes, sont liées à la dynamique complexe du champ magnétique, qui n'est pas uniquement dipolaire, mais a des composantes multipolaires. Cette multipolarité est liée aux mouvements du fer liquide au sein du noyau terrestre. Des perturbations dans le noyau peuvent modifier les structures convectives et faire apparaître des boucles magnétiques secondaires qui viennent s'ajouter au dipôle principal. Cette composante multipolaire serait capable d'affaiblir temporairement le dipôle terrestre, menant soit à une inversion complète du champ magnétique, soit à un rétablissement des pôles à leur position d'origine après une période « d'excursion ».

Juste avant une inversion, les pôles magnétiques semblent donc suivre des trajectoires complexes et sinueuses à la surface de la Terre, en association avec une diminution drastique de l'intensité du champ magnétique, mais sans que celui-ci disparaisse complètement. Cependant, les mécanismes précis associés aux inversions du champ magnétique sont encore mal connus, et notamment l'origine des perturbations dans le noyau terrestre. Il semblerait dans tous les cas qu'une inversion se déroule sur un intervalle de temps relativement court, de 1.000 à 20.000 ans grand maximum. 

Modélisation du champ magnétique terrestre par Glatzmaier et Roberts. À gauche, durant une période calme, la composante dipolaire prédomine. À droite, durant une inversion, on peut voir l’apparition de plusieurs pôles Nord et Sud. © Nasa 

L'accélération actuelle du mouvement du pôle Nord magnétique est-elle donc synonyme d'une inversion à court terme ? Rien n'est moins sûr, le pôle Sud restant relativement stable. L'état actuel de nos connaissances ne nous permet en tout cas pas de prévoir quand aura lieu la prochaine excursion ou inversion.

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/observation-terre-champ-magnetique-terrestre-inverse-t-il-14844/?fbclid=IwAR3P6VIIXNCefVOAIyyOZFP8W8D_7MojLivsa1P8RuH22xiZgnpGvqNKqWk&utm_content=buffer8bdcb&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura