Des aurores polaires.
La Terre possède une magnétosphère : notre planète produit un champ magnétique - le champ magnétique terrestre - autour d'elle.

Ce champ magnétique est important pour nous et pour la vie en général : il agit comme un bouclier nous défendant contre les vents solaires. Ces vents sont des flux de particules chargées et seraient autrement fatals pour une très grande partie des espèces vivantes et finiraient de plus par souffler notre atmosphère.

Le Soleil, Jupiter ou Saturne ont également une magnétosphère. La Lune, Mars ou Vénus n'en ont pas ou plus. On peut donc se demander pourquoi la Terre et certaines planètes en ont un et d'où il vient.

La source d'énergie de ce champ magnétique

La planète Terre a une croûte solide (le sol, rocheux) mais un cœur métallique composé de fer et de nickel en partie liquide, fondues à cause de la chaleur. Le fer et le nickel, très denses, se sont retrouvés là par gravité lors de la formation de la Terre.
Le fait que noyau terrestre soit en partie liquide est important : cela implique qu'il y a des mouvements de convection thermique au sein de notre planète. Le fait que le noyau soit métallique est également crucial car cela implique que le noyau terrestre est conducteur d'électricité et de champs magnétiques.

En plus de ces renseignements sur la structure interne de la Terre, il faut ajouter le fait que la planète est en rotation autour d'un axe. C'est trivial, mais important pour principalement deux raisons.

Premièrement, la rotation de la Terre (comme sa chaleur interne) constitue une réserve d'énergie. Si vous avez une énorme masse rotative, vous pouvez y fixer un engrenage avec des élastiques et vous en servir pour soulever des objets pour alimenter une dynamo et produire de l'électricité, au moins jusqu'à ce que la masse en rotation ait épuisé sa rotation et qu'elle s'arrête de tourner. Dans un yoyo par exemple, c'est la rotation du yoyo qui lui permet de remonter.

Deuxièmement, tout comme la rotation terrestre est responsable de l'apparition des cyclones au sein de l'atmosphère, elle est également responsable de l'apparition de colonnes de lave en rotation au sein de la partie liquide du noyau terrestre.

Pour résumer : la Terre est en rotation et cela crée des masses de fer liquide et conducteur en rotation dans le noyau. Si vous voyez venir le mécanisme de formation d'un champ magnétique avec ça, c'est normal ! Mais tout n'est pas encore en place pour autant.

L'effet dynamo

Pour le moment, nous avons une masse conductrice liquide en rotation. Or cela ne suffit pas pour créer et entretenir un champ magnétique. Il faudrait, par exemple, un champ magnétique extérieur baignant la Terre : ce dernier induirait un courant dans le noyau métallique qui produirait le champ magnétique terrestre.
Le problème, c'est que la Terre ne baigne pas dans un champ magnétique externe. Pas un champ suffisamment puissant en tout cas.
Aussi, s'il y avait eu une impulsion magnétique ponctuelle, un courant électrique apparaîtrait dans le noyau terrestre, mais il se dissiperait très vite et le champ magnétique terrestre s'évanouirait rapidement également.

De toute évidence, la Terre possède un champ magnétique bien réel. L'explication actuelle pour le champ magnétique terrestre est l'effet dynamo.
Il n'explique pas encore l'origine du champ magnétique, mais il explique comment ce champ - présent - arrive à se maintenir sans disparaître.

Prenons donc la planète Terre telle que je l'ai décrite ci-dessus : avec un noyau métallique liquide et en rotation.

Posons l'hypothèse que la Terre ait été par le passé dans un champ magnétique externe préexistant. Comme je l'ai dit plus haut, ce champ va induire un courant dans les parties liquides du noyau, et ce courant va produire un champ magnétique terrestre, opposé au champ extérieur.

Maintenant, il faut tenir compte des phénomènes de convection dû à la chaleur interne à la Terre et des phénomènes de rotation des masses liquides dus à la rotation de la Terre. Ce sont les deux sources d'énergie primaires qui vont peu à peu se convertir en énergie électromagnétique et rayonner un champ magnétique.

Ces "cyclones" de métal fondus dans le noyau externe prennent la forme de cylindres rotatifs qui vont s'aligner avec l'axe de rotation de la Terre (donc selon l'axe nord-sud). En faisant cela, les lignes de courant électrique induites par le champ magnétique vont être comme enroulées sur elles-mêmes formant une bobine, et étirées en longueur par la convection. Les lignes de courant électrique s'allongent : c'est donc si la bobine inductive devenait plus grande et le champ magnétique plus fort.

On a donc un effet où la bobine s'étire et permet d'augmenter la quantité d'énergie magnétique provenant de la convection thermique et de d'effet de Coriolis dû à la rotation de la Terre.

Résultat, le champ magnétique terrestre, au contraire de se dissiper, parvient à se maintenir : la rotation terrestre et la convection dans le noyau pompant sans cesse de l'énergie dans le système électromagnétique pour compenser les pertes.

Maintenant, vu que de l'énergie magnétique est produite, le champ magnétique de départ, celui dans lequel on a dit que la Terre baignait, peut disparaître : il n'est plus nécessaire.
Le champ magnétique produit se maintient grâce aux couches de métal liquide en fusion qui remontent à la surface.

Quand ces couches arrivent à la limite externe du noyau, il n'y a plus de convection (dans cette couche) et le champ disparaît. Mais c'est sans compter que son champ aura induit des courants électriques dans les couches en dessous, qui vont eux aussi produire leur champ magnétique, et perpétuer la production du champ magnétique.

Ainsi, tant qu'il y aura de la convection dans le noyau et une rotation de notre planète produisant des forces de Coriolis, le champ magnétique se maintiendra.

Les mouvements de convection sont complexes et ont des composantes chaotiques et peuvent parfois changer de sens. Il est donc possible que le champ magnétique terrestre évolue et que les pôles magnétiques changent bougent et peuvent même s'inverser. Dans l'histoire de notre planète, ces inversions ont eu lieu 300 fois au cours des 200 derniers millions d'années, soit tous les 660 000 d'années environ ; la dernière a eu lieu il y a environ 780 000 ans.

Un phénomène encore mal expliqué

Je l'ai dit en introduction, si la source du champ magnétique planétaire porte le nom d'effet dynamo et qu'il y a de bonnes bases théoriques pour les expliquer, son origine reste inconnue. Comme dit, il a fallu un champ magnétique initial, même faible ou local.

Cette source reste inconnue, mais si elle n'avait pas été présente dès le départ, la vie ne se serait probablement pas développée, en tout cas pas autant ni aussi bien sur cette planète. Il s'agit d'un des nombreux paramètres qui ont donné à la Terre les ingrédients nécessaires pour permettre l'apparition et le maintien de la vie, et qui peut expliquer pourquoi la vie soit finalement quelque chose de bien plus rare que ce que l'on avait au départ imaginé.

En plus de cela, la forme du champ magnétique et des lignes de champ sont complexes et dépendent de beaucoup de choses : fluidité du magma, variations locales de température, composition chimique du magma...
Les simulations numériques peinent encore à rendre compte des observations réelles, même si l'on s'approche peu à peu d'un modèle fonctionnel.

image d’en-tête de Alex Berger

9 commentaires

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Linette wrote:

Bonjour,

merci pour cet article à nouveau très instructif, il est agréable de lire un article sur le champs magnétique qui ne parle pas uniquement de son effet en dehors de la croûte terrestre.

AU plaisir de continuer à lire tout ces bons articles!

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Pépito wrote:

super article comme d'habitude même si je peine à comprendre comment la composition du magma peut elle faire varier le champs magnétique c'est genre certaine compositions vont être moins chaude que d'autre ou ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Pépito : la composition peut jouer dur la perméabilité magnétique, la résistance électrique, la fluidité, la température de fusion...

Autant de paramètres importants dans la magnétodynamique :)

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Pépito wrote:

oh ok je n'avais pas pensé à tout ça (en même temps dormir pendant le cour qui parlait du magma c'était pas une bonne idée) je trouve que ça serait intéressant un article sur le magma pour faire suite à celui-là

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galex-713 wrote:

C’est rigolo cet article, alors qu’un de ces derniers jours je me suis justement perdu sur wikipédia à ouvrir 3000 onglets sur la croûte terrestre, le magma, le manteau, le noyau, le champ magnétique, la houillification…

Comment j’ai commencé tout ça déjà…

chépu…

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Juju wrote:

Donc quand la terre sera synchronisée avec le soleil (comme la lune avec la terre), il n'y aura plus de champ ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : en effet, ou si le noyau terrestre devient entièrement solide (par refroidissement).

@galex-713 : c'est toujours comme ça : on commence par chercher un truc, puis on termine sur une page improbable ^^

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Marco wrote:

salut,

Merci pour cet article très intéressant.

Quelques typos :
- "si la source du champ magnétique planétaire porte le nom d'effet dynamo et qu'il y a de bonnes théoriques pour les expliquer" => bases théoriques ou théories ?
- "Ln champ magnétique produit se maintient" => le ?
- "le maintient de la vie" => maintien

Sinon, sur le fond, j'ai toujours été étonné que cette particularité (présence d'une magnétosphère) ne soit pas davantage mise en avant dans la recherche de planètes potentiellement habitables... ou alors, c'est largement documenté et je suis passé à travers :)

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Le Hollandais Volant wrote:

@Marco : Merci !

Effectivement. Je n’ai pas trop fait gaffe non plus.
D’autant que je pense qu’il y a des façons pour les détecter à distance, comme les spectres d’émissions des éventuelles aurores ou l’effet du champ magnétique sur les particules qui passent dedans (effet Stark / effet Zeeman).

Sinon, les champs magnétiques ne sont pas rares. Rien que dans notre système solaire, 2/3 des planètes en on (seules Mars et Vénus n’ont pas, ou pas une bien importante en tout cas).


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