La magnétosphère terrestre

Le champ géomagnétique (magnétosphère terrestre) résulte de la rotation du noyau externe liquide de la Terre, qui est un bon conducteur de courant électrique car il est composé principalement de fer et de nickel. L’axe du champ géomagnétique ne coïncide pas avec les pôles géographiques de la planète.

Informations générales sur la magnétosphère terrestre

Schéma simplifié du champ géomagnétique

Le champ géomagnétique protège notre planète des essaims de particules chargées d’origine solaire (vent solaire). Grâce au champ géomagnétique, notre planète perd beaucoup moins d’atmosphère que les autres corps du système solaire qui ne disposent pas d’un tel champ magnétique (par exemple Mars et Vénus). Le vent solaire détermine la forme du champ : dans la direction du Soleil, son rayon est minimal, tandis que dans l’ombre du Soleil, les traces du champ s’étendent sur des millions de kilomètres. Les particules élémentaires chargées du vent solaire et les rayons cosmiques, après avoir été déviés par le champ géomagnétique, s’accumulent dans certaines zones, appelées ceintures de radiation de la Terre. Dans la littérature occidentale, ces ceintures sont souvent appelées ceintures de Van Allen, en l’honneur du physicien américain qui les a soupçonnées pour la première fois en 1958 sur la base de mesures effectuées par le satellite Explover-1. Les ceintures de radiations constituent un risque majeur pour l’électronique et les systèmes électriques des engins spatiaux, c’est pourquoi les ingénieurs tentent de minimiser leur présence à l’intérieur des ceintures.

Ces ceintures sont divisées en deux zones : les ceintures externes et les ceintures internes.

Les premières sont situées à une altitude d’environ 17 000 kilomètres de la surface de la Terre et sont constituées principalement de particules élémentaires chargées négativement (électrons), les secondes sont situées à 4 000 kilomètres de la surface de la Terre et sont constituées principalement de particules chargées positivement (protons). La distance entre les ceintures de radiations et la surface de la Terre dépend fortement de la situation géographique. Les ceintures de radiation sont les plus proches de la surface de la Terre au-dessus du Brésil (anomalie géomagnétique de l’Atlantique Sud ou anomalie géomagnétique brésilienne).

Carte de la densité des particules élémentaires chargées à une altitude d’environ 0,5 mille kilomètres de la surface de la Terre selon les données de ROSAT

La carte ci-dessus montre clairement que la densité la plus élevée de ces particules est observée juste au-dessus du Brésil. Dans cette région, l’intensité du champ géomagnétique au niveau de la mer est similaire aux caractéristiques du champ géomagnétique au-dessus d’autres régions à une altitude d’environ mille kilomètres.

Des observations régulières de l’anomalie montrent une diminution de l’intensité du champ géomagnétique et une augmentation simultanée de sa surface.

L’anomalie géomagnétique de l’Atlantique Sud crée des interférences significatives dans le travail des télescopes en orbite basse. Ainsi, le télescope Hubble n’observe pas dans cette zone, et les images du télescope WISE dans cette zone présentent de nombreux artefacts (traces de particules chargées), qui ont souvent attiré l’attention des participants au projet bénévole de recherche d’une hypothétique neuvième planète.

Les fluctuations du champ géomagnétique et leur impact sur la biosphère

Le vent solaire étant variable en intensité et en composition de particules élémentaires (les pluies les plus fortes naissent lors de puissantes éruptions solaires), le champ géomagnétique subit des fluctuations constantes. Lors d’éruptions solaires particulièrement fortes, les particules du vent solaire peuvent pénétrer dans la haute atmosphère et provoquer des aurores sous forme d’éclairs verdâtres (aurores polaires). Ce phénomène se produit le plus souvent dans les régions polaires de la Terre, où le champ géomagnétique est le plus faible (c’est là que se trouvent les pôles géomagnétiques). Cependant, lors d’éruptions solaires particulièrement fortes, des aurores peuvent être observées même sous les tropiques (par exemple, lors de la tempête géomagnétique de 1859, des aurores ont été observées dans la mer tropicale des Caraïbes). Les perturbations du champ géomagnétique terrestre ne provoquent pas seulement des aurores, mais peuvent également entraîner des défaillances électroniques, des pannes de lignes électriques, voire des catastrophes (par exemple, défaillance des systèmes de navigation aérienne ou arrêt du système de protection d’urgence d’une centrale nucléaire). Outre les effets du champ géomagnétique sur la vie terrestre, il convient de noter que de nombreux animaux sur Terre utilisent le champ géomagnétique pour se déplacer (par exemple, les oiseaux migrateurs). Il est évident que les perturbations géomagnétiques affectent également le système nerveux central humain (le corps humain contient une petite quantité de fer, ce qui explique la couleur rouge du sang humain, et le système nerveux est l’infrastructure de transmission électromagnétique).

Les modifications du champ géomagnétique ne sont pas seulement dues aux fluctuations de l’intensité du vent solaire. Elles sont également dues à des processus mal connus qui se déroulent au cœur de notre planète

Découverte du champ géomagnétique

C’est en Chine, il y a plusieurs milliers d’années, que l’on a découvert que les objets magnétisés étaient orientés dans une direction précise. Cette découverte a conduit à l’invention de la boussole, qui a eu un impact majeur sur la navigation maritime lors de la Grande Découverte (la navigation à l’aide d’objets astronomiques est difficile en raison de la couverture nuageuse fréquente). À l’origine, on pensait que le pôle nord géomagnétique coïncidait avec la direction de Polaris. Cependant, lors du voyage de Christophe Colomb vers les côtes du continent américain, on a constaté que ces directions différaient de 12 degrés.

À l’emplacement des pôles géomagnétiques, l’aiguille de la boussole peut prendre une position verticale. Au pôle géomagnétique nord, l’aiguille de la boussole est dirigée vers le bas, et au pôle géomagnétique sud, au contraire, vers le haut. En raison de l’asymétrie du champ géomagnétique, la ligne droite qui relie les pôles géomagnétiques ne passe pas par le centre de la Terre.

Le pôle géomagnétique nord a été découvert en 1831 par le navigateur anglais John Ross, le pôle géomagnétique sud en 1841 par son neveu (James Ross). Depuis, des recherches ont montré que les deux pôles subissent des mouvements annuels à la surface de la Terre.

Au cours des 500 dernières années, le pôle géomagnétique nord s’est déplacé de la zone de l’archipel canadien vers le centre de l’Arctique.

Inversion du champ géomagnétique

La vitesse anormalement élevée du déplacement du pôle nord géomagnétique et la diminution de l’intensité du champ géomagnétique au cours des dernières années ont donné lieu à des spéculations sur l’imminence d’une inversion du champ géomagnétique. L’inversion du champ géomagnétique est le processus de réarrangement des positions des pôles géomagnétiques sud et nord. Dans l’état normal du champ géomagnétique, le pôle géomagnétique nord est proche du pôle géographique nord. Dans l’état inverse, on observe l’image opposée : le pôle géomagnétique nord est proche du pôle géographique sud.

Aucune périodicité n’a été trouvée dans le temps d’apparition des inversions (contrairement, par exemple, à la périodicité de 22 ans dans les inversions du champ magnétique du Soleil, qui est égale à deux fois la période d’activité solaire).

L’intervalle entre deux inversions est généralement compris entre 0,1 et 1 million d’années, et les inversions elles-mêmes durent entre 1 et 10 000 ans. On suppose que les inversions entraînent un très fort affaiblissement du champ géomagnétique et constituent donc une menace sérieuse pour la vie sur Terre (les particules du vent solaire pénètrent en grandes quantités dans l’atmosphère terrestre). Parallèlement, aucune corrélation n’a été observée entre les extinctions massives d’espèces terrestres et les périodes d’inversion du champ géomagnétique.

La dernière inversion fiable du champ géomagnétique s’est produite il y a 780 000 ans. Sa durée a été de 1200 à 10000 ans en fonction de la localisation géographique des roches étudiées présentant une magnétisation résiduelle. D’autre part, on étudie la possibilité d’une inversion du champ géomagnétique plus récente et de courte durée, qui s’est produite il y a seulement 41 000 ans. Cet événement a été baptisé Laschamp parce qu’il a été détecté pour la première fois dans les années 1960 du XXe siècle dans l’aimantation résiduelle d’une coulée de lave du même nom en France. Plus tard, des traces de cette inversion ont été trouvées dans d’autres endroits de la Terre. L’inversion a duré de 250 à 440 ans, pendant lesquels le champ géomagnétique a été affaibli de 75 %.

Schéma du mouvement des pôles géomagnétiques pendant cette inversion

En même temps, pendant les périodes calmes, les pôles géomagnétiques ne subissent qu’une dérive chaotique près des pôles géographiques.

Exemple de mouvement probable du pôle géomagnétique nord après 200 apr.

On peut également noter que l’affaiblissement actuel de 10 % du champ géomagnétique au cours des 180 dernières années n’est pas unique. Une étude de l’aimantation résiduelle des roches au Liban montre qu’il y a 2500 ans, le champ géomagnétique était 2,5 fois plus fort qu’aujourd’hui, après quoi il s’est affaibli de près de 30 % en 180 ans seulement.

Champs magnétiques dans d’autres corps du système solaire

Outre la Terre, le Soleil possède un puissant champ magnétique dans le système solaire,

Tableau comparatif des caractéristiques du champ magnétique du Soleil, des planètes ou des lunes du système solaire.

1 Gs est l’unité de mesure de l’intensité d’un champ magnétique (nommée d’après le grand mathématicien Carl Friedrich Gauss). 1 Gs est 10 000 fois plus petit qu’un Tesla. Un Tesla correspond à la puissance d’un tel champ magnétique dans lequel une force de 1 newton agit sur 1 mètre de longueur d’un conducteur de champ électrique, perpendiculaire à la direction de l’induction magnétique, avec un courant de 1 ampère.

Comparaison des champs magnétiques de la Terre, de Jupiter, de Saturne, d’Uranus et de Neptune

L’absence de champ magnétique sur Vénus (une planète très proche de la Terre en masse et en taille) s’explique par le faible taux de rotation angulaire de la planète (environ 243 jours terrestres). Une autre explication de ce phénomène est l’absence d’activité tectonique des plaques sur Vénus, qui entraîne de faibles flux convectifs dans le noyau. L’absence d’activité tectonique sur Vénus s’explique par la rareté de l’eau (qui peut jouer le rôle de lubrifiant) ou les températures élevées à la surface (impossibilité d’une solidification normale de la croûte ou activité accrue des volcans locaux).

Les champs magnétiques des géantes de glace (Uranus et Neptune), contrairement aux autres planètes, possèdent quatre pôles magnétiques à la fois (deux pôles magnétiques nord et sud chacun). Les théoriciens supposent que les champs magnétiques des géantes de glace se forment à faible profondeur, par exemple dans un océan d’ammoniac liquide.

Le champ magnétique de l’étoile la plus proche de nous a été découvert au début du 20e siècle grâce à l’enregistrement de la division Zeeman des lignes spectrales dans les taches solaires. Le tableau ci-dessus indique que l’induction du champ magnétique sur le Soleil est d’environ 4 000 gauss. En revanche, en 2014, des astrophysiciens japonais ont enregistré dans l’une des régions brillantes de la surface solaire, d’un diamètre d’environ 1 000 kilomètres, une valeur record d’induction de 6 250 gauss.

Champs magnétiques des naines blanches et des étoiles à neutrons

Des champs magnétiques encore plus intenses sont observés dans les restes stellaires (naines blanches et étoiles à neutrons), qui se caractérisent par des taux de rotation angulaire extrêmement élevés. Les estimations de l’induction de leurs champs magnétiques atteignent 10 12 Gauss. La mesure des champs magnétiques dans ces objets est devenue possible grâce à l’enregistrement de la polarisation. Parallèlement, des tentatives sont faites pour mesurer les champs magnétiques des disques d’accrétion des trous noirs également par l’enregistrement du rayonnement entrant. À l’heure actuelle, des résultats contradictoires ont été obtenus dans cette direction. Des mesures publiées à la fin de l’année dernière et effectuées avec une précision record ont montré que la magnitude du champ magnétique d’induction dans le disque d’accrétion d’un trou noir n’est que quelques centaines de fois supérieure à celle du Soleil (461 ± 12 gauss). Des estimations antérieures suggéraient que ce chiffre pour les trous noirs devait être 400 fois plus élevé. La nouvelle estimation a été rendue possible par la forte explosion de V404 Swan, qui s’est produite le 15 juin 2015 et a été observée dans presque toute la gamme du spectre électromagnétique (des rayons X aux émissions radio). La nouvelle estimation pose un sérieux problème aux théoriciens : l’induction observée ne peut pas expliquer entièrement la formation des puissants jets polaires du disque d’accrétion du trou noir — par conséquent, un autre mécanisme est impliqué dans leur formation.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023