Bouclier terrestre : où notre planète a-t-elle un champ magnétique ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Le champ magnétique protège la surface de la Terre du vent solaire et des rayonnements cosmiques nocifs. Il fonctionne comme une sorte de bouclier - sans son existence, l'atmosphère serait détruite. Nous vous dirons comment le champ magnétique terrestre s'est formé et a changé.

La structure et les caractéristiques du champ magnétique terrestre

Le champ magnétique terrestre, ou champ géomagnétique, est un champ magnétique généré par des sources intra-terrestres. Le sujet de l'étude du géomagnétisme. Apparu il y a 4, 2 milliards d'années.

Le propre champ magnétique de la Terre (champ géomagnétique) peut être divisé en les parties principales suivantes:

• champ principal,
• champs d'anomalies mondiales,
• champ magnétique externe.

Champ principal

Plus de 90% de celui-ci est constitué d'un champ dont la source se trouve à l'intérieur de la Terre, dans le noyau externe liquide - cette partie est appelée champ principal, principal ou normal.

Il est approximé sous la forme d'une série en harmoniques - une série gaussienne, et en première approximation près de la surface de la Terre (jusqu'à trois de ses rayons), il est proche du champ dipolaire magnétique, c'est-à-dire qu'il ressemble à la terre est un aimant en bande avec un axe dirigé approximativement du nord au sud.

Champs d'anomalies mondiales

Les vraies lignes de force du champ magnétique terrestre, bien qu'en moyenne proches des lignes de force du dipôle, s'en distinguent par des irrégularités locales liées à la présence de roches magnétisées dans la croûte située près de la surface.

De ce fait, à certains endroits de la surface de la Terre, les paramètres de champ sont très différents des valeurs des zones voisines, formant ce que l'on appelle des anomalies magnétiques. Ils peuvent se chevaucher si les corps magnétisés qui les provoquent se trouvent à des profondeurs différentes.

Champ magnétique externe

Elle est déterminée par des sources sous forme de systèmes de courants situés à l'extérieur de la surface terrestre, dans son atmosphère. Dans la partie supérieure de l'atmosphère (100 km et plus) - l'ionosphère - ses molécules s'ionisent, formant un plasma froid dense qui s'élève plus haut, donc une partie de la magnétosphère terrestre au-dessus de l'ionosphère, s'étendant jusqu'à une distance de trois de ses rayons, s'appelle la plasmasphère.

Le plasma est retenu par le champ magnétique terrestre, mais son état est déterminé par son interaction avec le vent solaire - le flux de plasma de la couronne solaire.

Ainsi, à une plus grande distance de la surface de la Terre, le champ magnétique est asymétrique, puisqu'il se déforme sous l'action du vent solaire: du Soleil il se contracte, et en direction du Soleil il acquiert une « traînée » qui s'étend sur des centaines de milliers de kilomètres, dépassant l'orbite de la Lune.

Cette forme particulière de "queue" apparaît lorsque le plasma du vent solaire et des flux corpusculaires solaires semble circuler autour de la magnétosphère terrestre - la région de l'espace proche de la Terre, toujours contrôlée par le champ magnétique de la Terre, et non par le Soleil et d'autres sources interplanétaires.

Il est séparé de l'espace interplanétaire par une magnétopause, où la pression dynamique du vent solaire est équilibrée par la pression de son propre champ magnétique.

Paramètres de champ

Une représentation visuelle de la position des lignes d'induction magnétique du champ terrestre est fournie par une aiguille magnétique, fixée de manière à pouvoir tourner librement à la fois autour de l'axe vertical et autour de l'axe horizontal (par exemple, dans un cardan), - en chaque point proche de la surface de la Terre, il est installé d'une certaine manière le long de ces lignes.

Comme les pôles magnétique et géographique ne coïncident pas, l'aiguille magnétique ne montre qu'une direction nord-sud approximative.

Le plan vertical dans lequel l'aiguille magnétique est installée s'appelle le plan du méridien magnétique du lieu donné, et la ligne le long de laquelle ce plan coupe la surface de la Terre s'appelle le méridien magnétique.

Ainsi, les méridiens magnétiques sont les projections des lignes de force du champ magnétique terrestre sur sa surface, convergeant aux pôles magnétiques nord et sud. L'angle entre les directions des méridiens magnétiques et géographiques est appelé déclinaison magnétique.

Elle peut être occidentale (souvent indiquée par un signe "-") ou orientale (signe "+"), selon que le pôle nord de l'aiguille magnétique dévie du plan vertical du méridien géographique vers l'ouest ou l'est.

De plus, les lignes du champ magnétique terrestre ne sont généralement pas parallèles à sa surface. Cela signifie que l'induction magnétique du champ terrestre ne se situe pas dans le plan de l'horizon d'un endroit donné, mais forme un certain angle avec ce plan - c'est ce qu'on appelle l'inclinaison magnétique. Il n'est proche de zéro qu'aux points de l'équateur magnétique - la circonférence d'un grand cercle dans un plan perpendiculaire à l'axe magnétique.

Résultats de la modélisation numérique du champ magnétique terrestre: à gauche - normal, à droite - lors de l'inversion

La nature du champ magnétique terrestre

Pour la première fois, J. Larmor a tenté d'expliquer l'existence des champs magnétiques de la Terre et du Soleil en 1919, en proposant le concept de dynamo, selon lequel le maintien du champ magnétique d'un astre se produit sous l'action du mouvement hydrodynamique d'un milieu électriquement conducteur.

Cependant, en 1934, T. Cowling a prouvé le théorème sur l'impossibilité de maintenir un champ magnétique axisymétrique au moyen d'un mécanisme de dynamo hydrodynamique.

Et comme la plupart des corps célestes étudiés (et plus encore la Terre) étaient considérés comme axialement symétriques, sur cette base, il était possible de faire l'hypothèse que leur champ serait également axialement symétrique, puis sa génération selon ce principe serait impossible selon ce théorème.

Même Albert Einstein était sceptique quant à la faisabilité d'une telle dynamo étant donné l'impossibilité de l'existence de solutions simples (symétriques). Ce n'est que beaucoup plus tard qu'il a été montré que toutes les équations à symétrie axiale décrivant le processus de génération de champ magnétique n'auront pas de solution à symétrie axiale, même dans les années 1950. Des solutions asymétriques ont été trouvées.

Depuis lors, la théorie de la dynamo s'est développée avec succès, et aujourd'hui l'explication la plus probable et généralement acceptée de l'origine du champ magnétique de la Terre et d'autres planètes est un mécanisme dynamo auto-excité basé sur la génération d'un courant électrique dans un conducteur. lorsqu'il se déplace dans un champ magnétique généré et amplifié par ces courants eux-mêmes.

Les conditions nécessaires sont créées dans le noyau de la Terre: dans le noyau externe liquide, composé principalement de fer à une température d'environ 4 à 6 000 Kelvin, qui conduit parfaitement le courant, des flux convectifs sont créés qui évacuent la chaleur du noyau interne solide (généré en raison de la désintégration d'éléments radioactifs ou de la libération de chaleur latente lors de la solidification de la matière à la frontière entre les noyaux interne et externe à mesure que la planète se refroidit progressivement).

Les forces de Coriolis tordent ces courants en spirales caractéristiques qui forment les piliers dits de Taylor. En raison du frottement des couches, elles acquièrent une charge électrique, formant des courants de boucle. Ainsi, un système de courants est créé qui circule le long d'un circuit conducteur dans des conducteurs se déplaçant dans un champ magnétique (initialement présent, quoique très faible), comme dans un disque de Faraday.

Il crée un champ magnétique qui, avec une géométrie favorable des flux, améliore le champ initial, ce qui, à son tour, améliore le courant, et le processus d'amplification se poursuit jusqu'à ce que les pertes en chaleur Joule, augmentant avec l'augmentation du courant, équilibrent le apports d'énergie dus aux mouvements hydrodynamiques.

Il a été suggéré que la dynamo peut être excitée en raison de la précession ou des forces de marée, c'est-à-dire que la source d'énergie est la rotation de la Terre, cependant, l'hypothèse la plus répandue et la plus développée est qu'il s'agit précisément de convection thermochimique.

Modifications du champ magnétique terrestre

L'inversion de champ magnétique est un changement de direction du champ magnétique terrestre dans l'histoire géologique de la planète (déterminé par la méthode paléomagnétique).

Dans une inversion, le nord magnétique et le sud magnétique sont inversés et l'aiguille de la boussole commence à pointer dans la direction opposée. L'inversion est un phénomène relativement rare qui ne s'est jamais produit durant l'existence d'Homo sapiens. Vraisemblablement, la dernière fois que cela s'est produit il y a environ 780 000 ans.

Les inversions du champ magnétique se sont produites à des intervalles de temps allant de dizaines de milliers d'années à d'énormes intervalles d'un champ magnétique silencieux de dizaines de millions d'années, lorsque les inversions ne se sont pas produites.

Ainsi, aucune périodicité n'a été trouvée dans l'inversion des pôles, et ce processus est considéré comme stochastique. De longues périodes d'un champ magnétique calme peuvent être suivies de périodes d'inversions multiples avec des durées différentes et vice versa. Des études montrent qu'un changement de pôles magnétiques peut durer de plusieurs centaines à plusieurs centaines de milliers d'années.

Des experts de l'Université Johns Hopkins (États-Unis) suggèrent que lors des inversions, la magnétosphère terrestre s'affaiblit tellement que le rayonnement cosmique pourrait atteindre la surface de la Terre, de sorte que ce phénomène pourrait nuire aux organismes vivants de la planète, et le prochain changement de pôle pourrait conduire à encore plus graves conséquences pour l'humanité jusqu'à une catastrophe mondiale.

Les travaux scientifiques de ces dernières années ont montré (y compris expérimentalement) la possibilité de changements aléatoires dans la direction du champ magnétique ("sauts") dans une dynamo turbulente stationnaire. Selon le chef du laboratoire de géomagnétisme de l'Institut de physique de la Terre, Vladimir Pavlov, l'inversion est un processus assez long selon les normes humaines.

Les géophysiciens de l'Université de Leeds Yon Mound et Phil Livermore pensent que dans quelques milliers d'années, il y aura une inversion du champ magnétique terrestre.

Déplacement des pôles magnétiques de la Terre

Pour la première fois, les coordonnées du pôle magnétique dans l'hémisphère nord ont été déterminées en 1831, à nouveau - en 1904, puis en 1948 et 1962, 1973, 1984, 1994; dans l'hémisphère sud - en 1841, encore - en 1908. Le déplacement des pôles magnétiques est enregistré depuis 1885. Au cours des 100 dernières années, le pôle magnétique de l'hémisphère sud s'est déplacé de près de 900 km et est entré dans l'océan Austral.

Les dernières données sur l'état du pôle magnétique arctique (se déplaçant vers l'anomalie magnétique mondiale de la Sibérie orientale à travers l'océan Arctique) ont montré que de 1973 à 1984 son kilométrage était de 120 km, de 1984 à 1994 - plus de 150 km. Bien que ces chiffres soient calculés, ils sont confirmés par les mesures du pôle nord magnétique.

Après 1831, lorsque la position du pôle a été fixée pour la première fois, en 2019, le pôle s'était déjà déplacé de plus de 2 300 km vers la Sibérie et continue de se déplacer avec accélération.

Sa vitesse de déplacement est passée de 15 km par an en 2000 à 55 km par an en 2019. Cette dérive rapide nécessite des ajustements plus fréquents des systèmes de navigation qui utilisent le champ magnétique terrestre, comme les boussoles dans les smartphones ou les systèmes de navigation de secours pour les navires et les avions.

La force du champ magnétique terrestre diminue, et de manière inégale. Au cours des 22 dernières années, il a diminué en moyenne de 1,7 %, et dans certaines régions, comme l'océan Atlantique Sud, de 10 %. À certains endroits, la force du champ magnétique, contrairement à la tendance générale, a même augmenté.

L'accélération du mouvement des pôles (de 3 km/an en moyenne) et leur déplacement le long des couloirs d'inversions polaires magnétiques (ces couloirs ont permis de révéler plus de 400 paléoinversions) suggère que dans ce mouvement des pôles on devrait voir non pas une excursion, mais une autre inversion du champ magnétique terrestre.

Comment est né le champ magnétique terrestre ?

Des experts du Scripps Institute of Oceanography et de l'Université de Californie ont suggéré que le champ magnétique de la planète était formé par le manteau. Des scientifiques américains ont développé une hypothèse proposée il y a 13 ans par un groupe de chercheurs français.

On sait que pendant longtemps, les professionnels ont soutenu que c'était le noyau externe de la Terre qui générait son champ magnétique. Mais ensuite, des experts français ont suggéré que le manteau de la planète était toujours solide (dès le moment de sa naissance).

Cette conclusion a fait penser aux scientifiques que ce n'était pas le noyau qui pouvait former le champ magnétique, mais la partie liquide du manteau inférieur. La composition du manteau est un matériau de silicate qui est considéré comme un mauvais conducteur.

Mais comme le manteau inférieur devait rester liquide pendant des milliards d'années, le mouvement du liquide à l'intérieur ne produisait pas de courant électrique, et en fait il était simplement nécessaire de générer un champ magnétique.

Les professionnels pensent aujourd'hui que le manteau aurait pu être un conduit plus puissant qu'on ne le pensait auparavant. Cette conclusion des spécialistes justifie pleinement l'état de la Terre primitive. Une dynamo au silicate n'est possible que si la conductivité électrique de sa partie liquide était beaucoup plus élevée et avait une pression et une température basses.