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Le champ magnétique terrestre L'inversion du champ géomagnétique (III) Vers 1906, le physicien français Brunhes nota que dans certaines laves, le champ magnétique était inversé, phénomène confirmé par le Japonais Matuyama qui suggéra l'existence d'inversions répétées du champ géomagnétique au cours des temps géologiques. Mais sa théorie restera méconnue.
Après beaucoup de tâtonnements, à partir de 1960, physiciens et géologues réalisèrent des études isotopiques et de magnétostratigraphie des roches basaltiques et parvinrent à établir une théorie qui confirma l'idée de Matuyama. Ils suggérèrent que le noyau de la Terre interagissait avec le manteau, créant un phénomène de dynamo à l'origine du champ géomagnétique. Cette inversion est également visible sur les dorsales océaniques à l'endroit des divergences des plaques tectoniques. Comme on le voit ci-dessous, les mesures magnétiques relevées transversalement à travers l'Atlantique suivent une forme en créneau, avec des plateaux d'intensités élevées régulièrement espacés par des intensités plus faibles.
Ce phénomène périodique s'explique par le déplacement des plaques, l'empreinte magnétique ne s'incrustant de manière définitive qu'au moment de la cristallisation des laves. Il est donc normal d'observer des zones alternées de polarité magnétique opposée au fur et à mesure de l'écoulement du magma sur le plancher des océans. Si les modèles géomagnétiques dont celui précuseur de Glatzmaier et Roberts présenté ci-dessus prédisent une inversion du champ magnétique, ces modèles nous disent également que l'inversion est annoncé par l'apparition de taches de flux inverse (où les polarités sont inversées). Ces taches de flux inverse se forment lorsque les lignes régulières du champ magnétique portant une certaine polarité sont enroulées par le magma fluide et, à l'image d'une boucle ou d'un noeud, percent la surface terrestre, formant des taches où la polarité magnétique est inversée. Un phénomène similaire se produit sur le Soleil. A télécharger : Simulation du champ géomagnétique et son inversion Fichiers .kmz pour Google Earth préparés par MAGE Project
Sur le terrain, on a effectivement découvert qu'entre 1980 et 2000, deux taches de flux inverse situées dans la région subtropicale de l'hémisphère sud se sont agrandies et de nouvelles taches sont apparues dans l'hémisphère nord. Il pourrait s'agir d'un indice en faveur d'une prochaine inversion de flux. Mais cette évolution n'est pas dramatique et il faudra bien plus qu'un indice et quatre petites taches de flux inverse pour renforcer cette hypothèse.
Ainsi qu'on peut le voir sur la carte présentée à gauche préparée par le DMI à partir du modèle IGRF2000, il y a notamment une grande tache de flux inverse dans l'hémisphère sud de la Terre qui est l'origine de la fameuse Anomalie de l'Atlantique Sud, la SAA. Bien que le minimum soit dans l'absolu de faible intensité, 22 μT par rapport à la valeur moyenne de 40 μT, son impact radioélectrique est très important à hauteur de la Ceinture de Van Allen au point qu'elle perturbe le bon fonctionnement des satellites artificiels traversant cette région, créant des erreurs dans les programmes et des pertes de données. Depuis qu'on mesure la SAA, son intensité a diminué de 50%. En théorie, ces taches pourraient être le signe précurseur d'une prochaine inversion puisque les modèles numériques semblent le confirmer. Selon la thèse de Vincent Morin publiée en 2005, sous certains régimes on observe effectivement que la dynamo s'inverse, l'inclinaison du dipôle magnétique subit des fluctations mais elles sont relativement régulières, le dipôle restant généralement près de l'axe de rotation au cours d'une dizaine de temps magnétiques (voir ci-dessous). En revanche, sur la même période et pour certaines valeurs des paramètres (E=3x10-4, q=3, Ra=13.32) le moment magnétique oscille très fortement avec des bouffées de champ magnétique qui fluctuent près de 0. Etant donné qu'il présente en moyenne de faibles valeurs et est très peu dipolaire, ceci explique pourquoi les physiciens préfèrent représenter l'évolution du champ magnétique à travers l'inclinaison du dipôle. La dernière inversion dite de Matuyama-Brunhes est survenue il y a environ 780000 ans et avait duré 181000 ans. Statiquement la durée moyenne des inversions est de 200000 ans. Certains géologues pensent que notre planète est en retard sur ce cycle qu'ils jugent quasi-périodique mais personne ne sait exactement quand se produira la prochaine inversion géomagnétique car globalement ces inversions ont un comportement chaotique et donc intrinsèquement inprévisible. Par le passé l'une de ces inversions a duré 60 millions d'années, nous avons donc le temps. Ceci dit, à d'autres époques les inversions magnétiques se sont succédées tous les 5000 ans... Difficile dans ces conditions d'établir une prévision !
Contrairement à l'inversion quasi-périodique du champ magnétique solaire qui suit un cycle de 22 ans, le champ magnétique terrestre qui est pourtant 100 fois plus faible est instable pour une raison inconnue, sans doute liée aux propriétés du noyau. La prochaine inversion magnétique peut survenir demain ou dans 60 millions d'années. Certains pensent toutefois que dans 1200 ans voire 2000 ans selon Kenneth Hoffman de l'AGU, les polarités seront inversées. Bien malin celui qui pourrait le certifier. C'est pour mieux appréhender l'évolution du champ magnétique que le réseau de surveillance InterMagnet fut créé. Il se compose d'environ 40 stations de mesures distribuées à travers le globe. Une inversion du champ géomagnétique il y a 42000 ans Selon une étude publiée dans revue "Science" en 2021 par l'équipe du géologue Alan Cooper[2] de l'Université d'Otago en Nouvelle-Zélande, un changement géomagnétique survenu il y a des milliers d'années plongea la Terre dans une crise environnementale qui aurait pu participer à l'extinction de la mégafaune et même des premiers hommes. Si selon les chercheurs ce scénario ressemble à un film catastrophe, son impact pourrait être encore plus grave que cela. C'est du moins leur point de vue car leur théorie présente quelques faiblesses. Copper et ses collègues prétendent que pour la première fois, on a trouvé des preuves qu'un basculement géomagnétique pourrait avoir de graves répercussions écologiques. Leur enquête relie une inversion de champ géomagnétique survenue il y a environ 42000 ans à un bouleversement climatique à l'échelle mondiale qui provoqua des extinctions et remodela le comportement des humains. Mais tous les spécialistes ne sont pas aussi affirmatifs, loin de là.
On sait que tous les ~200000 à 300000 ans, le champ géomagnétique s'affaiblit suffisamment pour inverser complètement la polarité (cf. ce graphique). Le processus peut prendre des centaines, voire des milliers d'années. Cooper et ses collègues se sont demandés si une inversion de polarité relativement récente et brève appelée l'Excursion de Laschamps qui s'est produite entre 41000 et 42000 ans, pouvait être liée à d'autres changements survenus sur Terre, qui jusqu'ici n'avaient pas été attribués à l'activité de la magnétosphère. En effet, les chercheurs soupçonnent qu'à l'époque où notre champ géomagnétique protecteur s'inversa - et fut donc plus faible que la normale -, l'exposition aux rayonnements solaires et cosmiques pouvait suffisamment affecter l'atmosphère pour avoir un impact sur le climat et les biosphères. Les chercheurs reconnaissent que les études antérieures sur des carottes de glace du Groenland datant de Laschamps n'ont pas apporté les preuves de changement climatique. Cooper et ses collègues se sont donc tournés vers une autre source potentielle de données climatiques : les kauris (Agathis australis), la plus grande espèce d'arbre de Nouvelle-Zélande dont beaucoup sont préservés dans les tourbières au nord du pays. Il y a plusieurs années, des bûcherons ont scié le tronc record de 60 tonnes d'un kauri. L'arbre qui vécut il y a 42000 ans présente des cernes couvrant 1700 ans d'histoire à une époque comprenant l'inversion de Laschamps. La tranche de bois fut analysée au carbone 14 afin d'y déceler des fluctuations radioactives de courte durée. Pour rappel, le carbone-14 est produit lorsque les rayons cosmiques passent à travers le champ géomagnétique et frappent l'atmosphère. Il est absorbé par les êtres vivants y compris les arbres. Les chercheurs ont utilisé le radiocarbone pour dater le bois de kauri en l'alignant avec des enregistrements de radiocarbone prélevés dans des grottes, en Chine. En mesurant les changements du carbone 14 dans les cernes de kauri, ils ont constaté que sa production variait sur des intervalles de 40 ans, alors que le champ géomagnétique fluctuait. Les auteurs ont ensuite simulé l'évolution du climat pour tenter d'identifier les causes des bouleversements climatiques globaux et des extinctions connexes. Ils ont découvert qu'un champ géomagnétique faible - 6% plus faible qu'aujourd'hui - pouvait entraîner des impacts climatiques majeurs. Selon les résultats de leurs simulations, un tel champ géomagnétique permet aux rayonnements ionisants des rayons cosmiques de détruire la couche d'ozone, laissant les rayons UV pénétrer jusqu'au sol et altérer la façon dont l'énergie solaire est absorbée par l'atmosphère en réduisant la chaleur qu'elle absorbe normalement des rayons ultraviolets. Selon Cooper, à ce moment-là, les pôles géomagnétiques ont basculé et le champ a retrouvé de la force, avant de faiblir et puis se renforcer 500 ans plus tard. Cooper note que non seulement le bouclier de la Terre contre les rayons cosmiques avait disparu mais l'activité du Soleil s'était également affaiblie. Les preuves provenant des carottes de glace suggèrent qu'à peu près à la même époque le Soleil subissait plusieurs grands minima - des épisodes de faible activité magnétique. L'assaut des rayons cosmiques qui en a résulta chargea l'atmosphère à un niveau qui aurait fait sauté le réseau électrique d'aujourd'hui et créer des aurores jusque dans les régions subtropicales. Quand à savoir ce qui passe lorsque l'atmosphère est aussi ionisée, Cooper l'ignore. Mais c'est à partir de là que les explications de Copper et ses collègues deviennent spéculatives. Les analyses des chercheurs révélèrent des niveaux élevés de carbone 14 dans l'atmosphère pendant l'Excursion de Laschamps, lorsque le champ géomagnétique s'affaiblit. Selon Cooper, le moment exact où vécut le kauri coïncidait avec les enregistrements des changements climatiques et biologiques observés dans le monde entier. "Par exemple, il y a 42000 ans, la mégafaune d'Australie commença à disparaître et les Néandertaliens d'Europe s'éteignaient; leur déclin peut avoir été accéléré par les changements liés au climat dans leurs écosystèmes." Selon Marina Friedel, coauteure de cette étude et doctorante en chimie stratosphérique à l'ETH Zurich, le refroidissement en haute altitude aurait modifié les flux de vent, ce qui à son tour aurait pu conduire à des "changements drastiques" en surface, notamment une Amérique du Nord plus fraîche et une Europe plus chaud. Mais d'autres scientifiques considèrent que cette conclusion est spéculative. Selon Anders Svensson, glaciologue à l'Université de Copenhague, les carottes de glace du Groenland et de l'Antarctique qui couvrent les 100 000 dernières années ont enregistré de fortes variations de température tous les quelques milliers d'années. Mais ils ne montrent aucun changement il y a 42 000 ans. Quelques enregistrements de l'océan Pacifique montrent bien des oscillations. Mais même si le changement s'est principalement produit sous les Tropiques, comme le suggèrent Cooper et ses collègues, il devrait laisser des traces dans la glace. "Nous ne voyons tout simplement pas cela", affirme Svensson.
Cooper et ses collègues ont également exploré un autre changement important survenu à l'époque des Homo sapiens, lorsque l'art pariétal émergea en différents endroits du monde. Ils suggèrent que la technique du pochoir des silhouettes de mains à l'ocre rouge "est en fait un signe de l'application d'un écran solaire", une pratique encore observée dans les groupes autochtones modernes en Namibie. Des niveaux élevés d'UV provenant d'un affaiblissement du champ géomagnétique auraient pu pousser les humains à se réfugier dans des grottes ou les forcer à protéger leur peau avec des matières pare-soleil. Mais cette théorie est également spéculative et nos auteurs ne sont ni paléontologues ni ethnologues. Les Néandertaliens ont disparu d'Europe et des peintures rupestres élaborées ont commencé à apparaître en Europe et en Asie. Pourtant, aucun de ces jalons de l'évolution humaine ne correspond à une inversion magnétique survenue il y a 42000 ans, et ni l'un ni l'autre n'était soudain. Selon Thomas Higham, archéologue expert en radiocarbone à l'Université d'Oxford et interrogé à ce sujet, les relier à l'inversion de champ, "me semble pousser les preuves trop loin." Le paléontologue Chris Stringer du Natural History Museum de Londres considère aussi que bien que cette étude soit importante, les auteurs établissent des liens a priori et posent des conclusions hâtives voire erronées. Selon Stringer, le recours aux grottes comme abris est plausible, mais le lien avec une augmentation de l'art rupestre est moins convaincant, car des peintures rupestres existaient apparemment à Sulawesi, en Indonésie, bien avant l'excursion de Laschamps. Pour Stringer, "Les auteurs font également un lien avec l’extinction physique des néandertaliens il y a environ 40000 ans, et je pense que cela aurait certainement pu contribuer à leur disparition. Mais ils ont survécu plus longtemps et se sont étendus plus largement que la seule Europe, et nous avons une très mauvaise idée du moment de leur disparition finale dans des pans de l’Asie." L'équipe de Cooper ne peut pas prédire avec précision quand la prochaine inversion du champ géomagnétique pourrait se produire. Cependant, certains signes comme la migration actuelle du pôle Nord à travers la région de la mer de Béring décrite précédemment et l'affaiblissement du champ géomagnétique lui-même de près de 10% depuis 1850 suggèrent qu'un basculement est peut-être plus proche que nous le pensons. Selon les chercheurs, cette perspective rend plus urgente la compréhension des grands changements géomagnétiques et la façon dont ils pourraient impacter les changements environnementaux à l'échelle mondiale. Les conséquences d'une inversion de polarité Si l'étude d'Alan Cooper présentée ci-dessus fut critiquée à juste titre par plusieurs chercheurs pour ses conclusions spéculatives, la question qui se pose aujourd'hui est de savoir ce qu'implique une inversion de polarité du champ géomagnétique et, question subsidiaire, que se passera-t-il le jour où le noyau de la Terre se refroidira ? A regarder les autres planètes ou satellites morts prématurément, Mars ou la Lune par exemple, notre futur ne semble pas très enviable; il n'est pas impossible en effet que la solidification du noyau nous prive non seulement de chaleur mais entraîne la disparition du champ magnétique global et avec lui la mort de notre planète. Mais qu'en savons-nous exactement ? En effet, que cet évènement éventuel ne nous alarme pas. En 2004, certains astrophysiciens ont suggéré que le vent solaire (les électrons notamment) pourrait également alimenter la géomagnétosphère en courant électrique et entretenir le champ géomagnétique. Ils ont calculé que si le champ magnétique terrestre disparaissait soudainement, les collisions entre le plasma ionisé du vent solaire et l'ionosphère pourraient générer des courants électriques suffisamment forts pour former un bouclier magnétique dont l'intensité serait comparable au champ géomagnétique actuel.
Comme le disent certains, une fois de plus Gaïa nous démontre qu'elle réagit comme un être autonome. Si la Terre présente le champ magnétique le plus intense des planètes telluriques, c'est du fait qu'il s'agit de la seule planète "vivante", ceci expliquant cela. Désolé, mais ce genre d'assertion n'est pas très scientifique, encore moins évident, et reste à ce jour une hypothèse purement spéculative. En effet, rien ne permet d'affirmer que la vie disparaîtrait si la Terre perdait son champ magnétique ou inversement que la vie n'a pu se développer que grâce à la protection offerte par la magnétosphère. Et de fait il y a environ 800000 ans, lorsque la Terre subit une inversion du champ magnétique, il ne s'est rien produit de particulier dans le règne du vivant; le phénomène n'a provoqué aucun effet particulier. Alors pourquoi encore se référer à la théorie de Gaïa si elle n'a aucun fondement scientifique ? Il ne faut pas non plus confondre la magnétosphère et le champ géomagnétique. Si la première agit comme un bouclier spatial, protégeant la surface de la Terre de l'exposition au vent solaire et aux particules chargées de forte énergie, le champ géomagnétique ne semble pas jouer de rôle fondamental; il ne nous offre ni protection ni avantage particulier. Tout au plus aide-t-il les oiseaux, les papillons et certains organismes marins (les cétacés notamment) à s'orienter grâce à la magnétite. Par ailleurs, si le noyau et le manteau terrestre venaient à se refroidir, il n'est pas évident que cela aurait des conséquences sur la température superficielle du globe. Nous avons vu à propos de la Terre qu'à partir de 20 à 30 m de profondeur selon la nature des sols, les variation annuelles sont insensibles et qu'ensuite la température augmente de 3° tous les 100 m. On peut supposer que même si le coeur de la Terre était froid, cela ne changerait pas fondamentalement les conditions de vie sur Terre qui sont beaucoup plus sensibles à d'autres facteurs, notamment météorologiques. Un noyau froid nous mettrait tout d'abord à l'abri des séismes et autres éruptions volcaniques. Bien sûr on perdrait en même temps la beauté de quelques phénomènes naturels. Mais que le noyau soit actif ou pas, chacun sait également qu'au fond des océans la température ne dépasse pas 4°C et les pôles sont gelés en permanence malgré les fortes chaleurs qui règnent au centre de la Terre. Enfin, il ne faut pas oublier que la principale source d'énergie sur Terre est la chaleur du Soleil; la meilleure démonstration de son effet est la saison hivernale où privée du Soleil, l'écosystème terrestre se meurt pratiquement. Le champ géomagnétique multipolaire Dans une étude publiée en 2016, le géophysicien et planétologue Peter Driscoll de la Carnegie Institution de Washington (CIS) a montré que la Terre n'a pas toujours présenté un dipôle magnétique. En effet, à certaines époques des champs magnétiques plus faibles émanaient de plusieurs pôles comme on le voit ci-dessous à droite. Nous avons évoqué précédemment le phénomène de géodynamo à l'origine du champ géomagnétique. Toutefois, le noyau interne (la graine) de la Terre n'a pas toujours été solide et les scientifiques ont voulu savoir quand ce changement d'état est survenu et de quelle manière il affecta le champ magnétique de la planète.
L'analyse de la polarité magnétique des anciennes roches a révélé que les signatures remontant entre 650 millions et un milliard d'années étaient très différentes des signatures magnétiques plus récentes. Ces traces suggèrent que le champ magnétique terrestre s'est décalé ou se serait même subdivisé en plusieurs pôles. Selon Driscoll, ces nouveaux modèles contredisent l'hypothèse généralement admise selon laquelle le champ bipolaire aurait été stable à toutes les époques. Sur base de l'analyse de modèles de l'histoire thermique de la Terre simulés jusqu'à 4.5 milliards d'années, Driscoll est arrivé à la conclusion que le noyau interne commença à se solifier il y a 650 millions d'années. D'autres modèles utilisant des simulations 3D de la dynamo indiquent que la Terre commença par présenter un dipôle intense mais à certaines époques des pôles magnétiques supplémentaires sont apparus. Ces derniers étaient plus faibles et fluctuèrent de manière chaotique en intensité et en direction. A une certaine époque, la Terre présenta donc un champ quadripolaire voire multipolaire. Ce n'est qu'après la solidification du noyau interne il y a environ 650 millions d'années que le champ géomagnétique a repris sa structure bipolaire avec une intensité relativement élevée (notons que le Soleil connut un phénomène similaire avec l'apparition d'un quadrupôle temporaire en 2012). Selon Driscoll, ces découvertes pourraient expliquer les étranges fluctuations de la direction du champ magnétique observée das les enregistrements géologiques remontant entre 600 et 700 millions d'années. De tels changements ont également de nombreuses implications qui devront être analysées. En guise de conclusion Dans le fond il reste étonnant qu'en physique fondamentale personne ne sache aujourd'hui pourquoi l'aiguille de la boussole indique le nord, pourquoi la Terre dispose d'un champ magnétique ? Si les idées ne manquent pas quand au comment, le pourquoi des choses reste encore aujourd'hui en dehors du domaine de compétence de la géophysique ou de l'astrophysique. L'étude du champ géomagnétique est très complexe et commence seulement à livrer ses secrets. C'est un champ d'études très intéressant dont on reparlera certainement beaucoup dans les années à venir. Pour plus d'informations Sur ce site Statut temps-réel de l'activité solaire, géomagnétique et des aurores Indices solaires et autres échelles géomagnétiques Les défaillances des satellites Origine du champ magnétique solaire La Terre, berceau de l'Humanité Statut et profil de la magnétosphère terrestre Geospace magnetosphere movies, SWPC/NOAA Profil de l'arc de choc et de la magnétopause terrestre par ACE, LMSAL Généralités La géodynamo, IPGP Géomagnétisme, NRCAN Le processus de dynamo, David P. Stern, Phy6 Le magnétisme terrestre, L'Académie de la Réunion Le champ magnétique terrestre, IRM Earth's Magnetic Field, Judson L. Ahern Geodynamo, PSC Emmanuel Dormy, IPGP Gary Glatzmaier simulations), PSC Paul Roberts, UCLA Weija Kuang, NASA/GSFC Jeremy Bloxham, EPS/Harvard International Geomagnetic Reference Field, IGRF Modèles, programmes et calculatrices Simulation du champ géomagnétique et son inversion (.kmz pour Google Earth), MAGE Project Les modèles géomagnétiques, NGDC/NOAA IGRF-12, U.Kyoto Modèle Géomagnétique IGRF (Zip de 102 KB), NGDC/NOAA Online Calculators for the World Magnetic Model, NGDC/NOAA Magnetic Field and Declination Calculator, NGDC/NOAA Valeurs du champ géomagnétique en un point du globe, U.Kyoto Calculateur de déclinaison magnétique, NRCan Logiciel de calcul de la déclinaison magnétique Simulateur d'harmoniques sphériques (applet Java) Publications Instabilités et bifurcations associées à la modélisation de la géodynamo, thèse de Vincent Morin, 2005 Modélisation numérique de la dynamo terrestre, thèse d'Emmanuel Dormy, 1997 Publications de l'AGU dans le domaine des Sciences de la terre Timescales of the Paleomagnetic Field, James E.T. Channell et al, AGU, 2004 Earth's Core: Dynamics, Structure, Rotation, Veronique Dehant et al., AGU, 2003 The Core-Mantle Boundary Region, Michael Gurnis, AGU, 1998/2000 Livres Guide d'orientation avec carte, boussole et GPS Satellites d'étude de la géomagnétosphère et des relations Terre-Soleil ACE, Cluster, Geotail, IMP-8, MMS, Polar, THEMIS, Van Allen, Wind.
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