Un mécanisme pour les inversions géomagnétiques

Un mécanisme pour les inversions géomagnétiques:

Pourquoi le champ magnétique terrestre (La Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant...) possède un champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) produit par les déplacements de son noyau externe - composé essentiellement...) s'est-il inversé au cours de l'histoire de la Terre, pointant alternativement vers le nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) ou le sud (Sud est un nom :) géographique ? Si l'on sait que l'explication réside dans les mouvements qui animent le noyau liquide (La phase liquide est un état de la matière.) de la Terre, les mécanismes en jeux restent mal compris. Dans une publication qui vient de paraître dans Physical Review Letters des chercheurs du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) statistique (Une statistique (par opposition à la statistique) est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'une population....) (ENS, CNRS) et de l'Institut de Physique du Globe de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d'Île-de-France. Cette ville...) (INSU-CNRS, Paris Diderot) proposent que les renversements se produisent lorsque des fluctuations brisent la symétrie de l'écoulement dans le noyau liquide et qu'un couplage fort entre deux modes du champ magnétique (dipolaire et quadripolaire) se produit.

Le champ magnétique, tel qu'on le mesure à la surface de la Terre, est un dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le retrouve dans plusieurs...) dont l'axe est proche de l'axe de rotation de la planète (Selon la dernière définition de l'Union astronomique internationale (UAI), « une planète est un corps céleste (a)...). Depuis les travaux précurseurs de Bernard Brunhes au début du 20ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race,...), on sait que le champ magnétique s'est renversé à maintes reprises, c'est-à-dire que le dipôle pointe alternativement vers le pôle nord (Le pôle Nord est le point le plus au nord de la Terre.) géographique ou vers le pôle sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud du globe terrestre suivant différentes définitions. Les plus courantes sont le...) à une fréquence (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...) très variable. La dernière inversion a eu lieu il y a 780 000 ans mais la précédente seulement 200 mille ans auparavant. On estime que la durée du "basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe...)" entre les deux polarités est de quelques milliers d'années.

Paléomagnéticiens et théoriciens travaillent sur cet aspect énigmatique du champ depuis plusieurs décennies. Les premiers tentent d'acquérir des données aussi précises que possible sur le court intervalle de temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les...) durant lequel le champ se renverse, tandis que les seconds tentent d'identifier les processus physiques mis en jeu dans le noyau de notre planète. En effet, le champ magnétique terrestre est induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de...) par les mouvements qui animent la partie liquide du noyau, composée de métal en fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps...). Depuis une dizaine d'années, quelques équipes tentent également de construire des dynamos expérimentales basées sur des écoulements de sodium liquide et pour la première fois en 2007 une équipe française a pu observer des inversions successives du champ créé par un tel écoulement (dynamo expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan...) VKS) qui présentent des caractéristiques très semblables à celles du champ terrestre déduites des observations (L'observation est l'action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l'aide...) paléomagnétiques !


Variation de l'intensité du dipôle dans le cas de ce modèle au cours de 2 millions d'années (haut),
de l'expérience VKS (expérience de laboratoire, milieu),
dans le cas réel au cours de 2 millions d'années.


Le mécanisme présenté par les auteurs rend compte aussi bien des renversements du champ terrestre que de ceux de l'expérience VKS. Ce modèle repose sur la concurrence entre deux modes de champ magnétique qui coexistent avec des intensités variables selon les époques: le mode dipolaire comme on le mesure actuellement en surface et un autre mode, probablement quadripolaire. Les objets astrophysiques, comme le Soleil ou le noyau de la Terre, n'ont pas une symétrie sphérique car la rotation impose que l'équateur est l'unique plan de symétrie. Les auteurs montrent que lorsque la symétrie de l'écoulement dans le noyau liquide est brisée dipôle et quadripôle sont couplés. Si le couplage est très fort, le champ magnétique se renverse de façon périodique. Ce type de dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé...) est probablement celle du champ magnétique solaire dont les inversions sont périodiques (tous les 22 ans). Dans le cas de la Terre, le couplage n'est pas assez fort pour que l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit...) se produise spontanément mais des fluctuations turbulentes de l'écoulement peuvent initier un renversement


Comparaison d'un renversement de pôle dans le cas de ce modèle (à gauche),
de l'expérience VKS (au milieu),
des données paléomagnétiques réelles au cours de diverses inversions (droite).


Un renversement est composé de deux phases. La première est lente - le dipôle voit son amplitude décroître tandis que celle du quadripôle augmente. La seconde phase est plus rapide - l'amplitude du quadripôle décroît tandis que celle du dipôle augmente à nouveau en pointant vers le pole opposé ( En mathématique, l'opposé d'un nombre est le nombre tel que, lorsqu'il est à ajouté à n donne zéro. ...) à sa direction initiale. Cette seconde phase se termine avec un overshoot au cours duquel l'amplitude du dipôle atteint des valeurs très élevées avant de se stabiliser dans son nouvel état de polarité.

Il arrive qu'à la fin de la première phase, le dipôle croisse de nouveau et reparte dans sa direction initiale - on parle alors d'excursion - c'est en quelque sorte un renversement avorté. Enfin, le modèle indique que des variations minimes de l'écoulement dans le noyau liquide peuvent augmenter considérablement la durée entre deux renversements, comme c'est typiquement le cas pour les superchrons du champ magnétique terrestre, périodes de plusieurs dizaines de millions d'années sans inversions.

Parmi les figures ci-dessus, est représentée la solution d'un système dynamique simple qui décrit l'interaction entre un mode dipolaire et un mode quadripolaire. Elle témoigne que ces propriétés sont bien reflétées par les données paléomagnétiques du champ magnétique terrestre mais aussi pour les renversements du champ magnétique observé lors des inversions produites dans la dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique....) expérimentale VKS.

Source: CNRS / INSU
Illustrations: © Pétrélis et al. PRL 2009                                                             www.techno-science.net

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