Champ magnétique terrestre - Définition
La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une gigantesque dynamo.
Origine
Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements du noyau métallique liquide des couches profondes de la Terre.
Description
Le champ magnétique terrestre peut être comparé, en première approximation, à un aimant droit (un dipôle magnétique) ou à une bobine plate parcourue par un courant. Le point central de cet aimant n'est pas exactement au centre de la Terre, il s'en trouve à quelques centaines de kilomètres.
La théorie du potentiel décrit, à partir de l'équation de Laplace, qu'à cet aimant droit se superposent en second ordre un quadripôle, au troisième ordre un octopôle, etc., jusqu'à l'infini. Cette décomposition dite en harmoniques sphériques admet des coefficients qui pondèrent l'importance à attribuer à chaque aimant. Le premier à avoir mesuré leur valeur est Gauss à partir d'un maillage d'observatoires magnétiques répartis autour de la Terre, puis d'en tirer des études statistiques.
D'autres planètes du système solaire possèdent un champ magnétique important : Saturne, Uranus, Neptune et surtout Jupiter.
Bien que les aimants aient été connus depuis l'Antiquité, ce sont les Chinois qui, vers l'an 1000 les utilisèrent pour s'orienter à l'aide de la boussole. La relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre fut découverte en 1600, par William Gilbert, un physicien anglais et médecin de la reine Élisabeth Ire. Cette théorie est la première concernant des caractéristiques globales de la Terre, avant la gravité d'Isaac Newton. Il démontra comment une boussole placée à la surface d'une boule magnétisée (la " Terrella ") indique toujours le même point, comme elle le fait sur la Terre.
Notion de pôle
L'ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l'ionosphère, soit à plus de 1000 km, est appelé magnétosphère. L'influence du champ magnétique terrestre se fait sentir à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.
Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme " sud " qui attire le pôle " nord " (en rouge sur la figure) de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier ; noter sur la figure que le pôle de magnétisme nord de l'" aimant terrestre " pointe vers le sud géographique. L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le pôle nord magnétique (Nm) est à environ 1000 km du pôle nord géographique (Ng), en direction du Canada. La position actuelle du pôle nord magnétique est 81°N et 110°W mais il se rapproche actuellement du pôle nord géographique à une vitesse moyenne de 40 km/an. En outre la position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne.
Le pôle Sud magnétique, quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'Urville, à 65° S et 138°E.
Propriétés du champ magnétique
En un point donné du champ magnétique terrestre, le vecteur d'induction magnétique B possède une composante verticale Bv (dirigée vers le centre de la Terre) et une composante horizontale B0. Aux pôles magnétiques la composante horizontale a une valeur nulle. L'angle formé par B et B0 est appelé " inclinaison ". Il augmente lorsque l'on se rapproche des pôles en tendant vers 90°.
Le vent solaire est responsable de ces variations par les courants électriques qu'il génère dans l'ionosphère et la magnétosphère. Les orages magnétiques peuvent perturber le champ magnétique terrestre en faisant varier l'intensité de la composante horizontale B0 (voir paragraphe ci-bas pour la signification de B0). De plus, les vents solaires déforment le champ magnétique terrestre. Côté jour, il est aplati et du côté nuit, il s'étire sur une dizaine de rayons terrestres.
La valeur de l'induction magnétique est exprimée en Tesla. Actuellement, elle est de l'ordre de 47 μT au centre de la France.
L’archéomagnétisme, basé sur l'étude des traces de champ magnétique fixées dans les objets archéologiques (briques, céramiques, etc.), et le paléomagnétisme, basé plutôt sur les roches, permettent de comprendre l'évolution du géomagnétisme au fil du temps ; en datant les inversions de polarité magnétique au travers des âges, par exemple.
La boussole
L'aiguille de la boussole s'oriente suivant la composante horizontale B0 en restant tangente à la ligne de champ du lieu où elle se trouve. L'aiguille indique la direction du pôle Nord magnétique (et non celle du pôle Nord géographique), la différence angulaire est appelée déclinaison magnétique, dont la valeur dépend du lieu où l'on se trouve. La déclinaison magnétique d'un lieu est fournie sur les cartes détaillées (1/50000 ou 1/25000) de la région. Sur les cartes marines est également fournie une estimation de sa variation annuelle (par exemple diminution de 6' par an). Dans la mesure où c'est le nord de la boussole qui se dirige vers le " Nord " magnétique, en réalité un pôle Sud selon les conventions de l'électromagnétisme.
Un bouclier protecteur de la Vie
La magnétosphère, créée par le champ magnétique terrestre, joue un rôle essentiel dans le développement de la vie sur terre en déviant les particules mortelles du vent solaire et des rayons cosmiques formant ainsi un des plus magnifique phénomène naturel: les aurore boréale et australe. Lorsque le noyau se sera refroidi (dans quelques... milliards d'années) et qu'en conséquence le champ magnétique aura disparu, il est probable que les formes de vie existantes ne pourront plus subsister. Ces conditions sont celles qui règnent aujourd'hui sur la Lune et Mars.