AXE 1

-Découverte du champ magnétique.

L’existence du champ magnétique terrestre est connu depuis l’antiquité. Principalement par ses applications lors de la navigation et l’orientation à partir de la boussole.

Au XIIº siècle, les chinois avaient développé cette technique suffisamment comme pour  améliorer la navégation. Alexander Neckham fut le premier européen a développer cette technique en 1187.

Au XV siècle, le physicien anglais de la cour d’Isabel I, William Gilbert, publia l’oeuvre “De magnete”, considéré le premier traité parlant du magnétisme. Gilbert tailla un aimant en forme de boule pour ainsi étudier la distribution du champ terrestre. Il trouva que l’inclinaison du champ dans cet aimant sphérique. Postérieurement, les géomagnéticiens observèrent qu’en tenant compte de la déclinaison, la meilleure représentation du champ terrestre serait un aimant sphérique avec un axe de rotation dévie de 110º de l’axe géographique de la Terre.

Jusqu'en 1820, le seul magnétisme connu était celui des aimants en fer et des" pierres d'aimants", des aimants naturels de minerais riches en fer.

On croyait donc que l'intérieur de la Terre était magnétisé de la même façon. Cependant cette hypothèse a été réfuté quand on trouva que la direction d'une aiguille de boussole se décalait lentement, décade par décade. Cela signifiait qu’une lente variation du champ magnétique terrestre se produisait peu à peu.

Edmond Halley proposa alors que la terre contenait un nombre de coquilles sphériques, les unes dans le autres, chacune magnétisées différemment, chacune tournant lentement par rapport aux autres(théorie de la Terre creuse).




            

Théorie de la Terre creuse                     Edmond Halley

Bien que l'on ait découvert que certaines roches inversent leur champ magnétique pendant le refroidissement, on sait que la plupart des roches volcaniques aimantées conservent des traces du champ magnétique de la Terre au moment où la roche s'était refroidie. En l'absence de méthodes fiables pour la datation précises des roches, on a pensé que les inversions se produisaient une fois par million d'années environ.

Au début du XXe siècle, les géologues ont remarqué que certaines roches volcaniques avaient été aimantées dans une direction opposée à celle du champ magnétique terrestre local. C'est la découverte du paléomagnétisme, permettant de lire dans des minéraux magnétiques ( des coulées de lave) l'orientation du champ magnétique lors de leur refroidissement à permis de déceler les inversions pasées du champ magnétique, en moyenne une fois tous les 200 000 ans, bien que le plus long intervalle mesuré sans inversement soit de 50 millions d'années. Le premier calendrier des inversions magnétiques a été réalisé en 1920 en étudiant des roches avec des champs inversés datant du Pléistocène. Dans les années 1950 on a exposé l’hypothèse de l’errance des pôles et de la dérive des continents.

En plus, des expéditions récentes ont découvert que le pôle Nord s'était déplacé de 300 km sur les 7 dernières années ayant une vitesse de 40 km/an et une trajectoire se dirigeant vers l'archupel de la Terre du Nord (Russie).

Actuellement, les paléomagnéticiens ont mis au point une échelle de temps de la polarité géomagnétique. L'intervalle de temps entre deux inversions est nommé intervalle de polarité. L'échelle de temps actuelle contient 184 intervalles dans les 83 derniers millions d'années.

Les intervalles de polarité ont été classés selon leur durée: Megachron, entre 100 millions et 1 milliard d'années.

• Superchron, entre 10 et 100 millions d'années.
• Chron, entre 1 et 10 millions d'années.
• Subchron, entre 100 000 et 1 million d'années.
• Microchron, moins de 100 000 ans.

Les intervalles de polarité qui durent moins de 30 000 ans sont nommés Cryptochrons.

-Changement du champ magnétique au long de l’histoire.

Grandes périodes magnétiques:

Comme on l’a déjà dit, le champ magnétique terrestre forme un efficace bouclier en nous protégeant des menaces cosmiques. Cependant, il n’est pas constant. Celui-ci a connu de nombreuses inversions qui sont toujours accompagnées d’une annulation du champ magnétique. La dernière est survenue il y a 780 000 ans.

Le champ magnétique terrestre peut aussi subir des excursions. Cela signifie qu’il y a eu des périodes où il s’est effondré, comme s’il s’allait s’inverser avant de retrouver sa polarité normale. La dernière excursion s’est déroulé il y a 41 000 ans et il a été nommé excursion de Laschamp.

Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments récoltées au large du Portugal et de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Dans ces échantillons, ils ont retrouvé des excès de Béryllium 10, un élément produit exclusivement lors de la collision entre particules d'origine cosmique et atomes d'azote ou d'oxygène. Le Beryllium 10 (10Be) produit dans l'atmosphère retombe en suite à la surface de la Terre où il s' incorpore aux glaces et aux sédiments. Dans les couches correspondant à l'excursion de Laschamp, les chercheurs ont retrouvé jusqu'à deux fois plus de 10Be que le taux normal, témoignant de l'intense bombardement de particules cosmiques qu'a subi la Terre durant plusieurs millénaires. Cela montre la férocité d’une possible nouvelle excursion.

L'étude de l'histoire du champ magnétique s’est fait grâce à la présence dans les laves volcaniques, les sédiments ou les poteries antiques de certains oxydes de fer, notamment la magnétite, qui indiquent la direction et l'intensité du champ magnétique existant au moment où ces matériaux se sont figés lors d’une éruption volcanique..

Par ailleurs, on sait que depuis 3000 ans le champ magnétique a perdu 30% de sa force. Cette évolution laisse penser que la Terre pourrait connaître dans les siècles à venir, une excursion semblable à celle survenue il y a 41 000 ans. Les rayons cosmiques de haute énergie peuvent par contre  provoquer des mutations et des lésions cellulaires, cet événement  aurait des conséquences fatales sur l’espèce humaine. C’est pour cela que les chercheurs veulent déterminer avec précision les rythmes des séquences d’inversions et des excursions du champ magnétique afin de trouver une possible régularité dans son comportement qui semble pour le moment aléatoire et dont l’origine est le noyau terrestre. Cependant aucune recherche pourra changer le destin, puisque l’homme n’as pas, au jour d’aujourd’hui des moyens pour modifier un tel événement.

Anomalies magnétiques au fond des océans:

Anomalies magnétiques au fond des océans.

Lors des premières phases de l'exploration des fonds océaniques, les relevés de l'intensité du champ magnétique à l'aide d'un magnétomètre tiré par un bateau avaient montré l'existence, sur ces fonds, d'une alternance de bandes parallèles de magnétisme faible et de magnétisme élevé. On s' expliquait mal cette situation.

Au début des années 1960, Vine, Matthews et Morlay ont apporté une explication et ont montré que l'existence de ces bandes d'anomalie magnétique venait supporter l'hypothèse de l'étalement des fonds océaniques de Hesse. La formation de lithosphère océanique à la dorsale enregistre la polarité du champ magnétique terrestre au moment où cristallise le basalte. Le plancher océanique qui s'étale se comporte comme la bande magnétique d'un magnétophone qui fixe le son (ici, la polarité du champ magnétique) au fur et à mesure de son déroulement. Ce sont ces différences de polarité magnétique qui sont responsables des anomalies de l'intensité du champ. La polarité actuelle étant normale, les bandes d'intensité élevée correspondent aux bandes de polarité normale, résultant d'un effet d'addition, alors que les bandes d'intensité faible correspondent aux bandes de polarité inverse, résultant d'un effet de soustraction. Les quatre schémas qui suivent montrent comment se construit dans le temps un plancher océanique constitué de bandes parallèles, de polarités magnétiques alternant entre normales et inverses, et symétriques de part et d'autre d'une dorsale.

-Fonctionnement + expériences

Les caractéristiques du champ magnétique terrestre sont:

- Direction: l'axe Pôle Nord-Pôle Sud

- Intensité: 10^5 T.

- Point d'application: centre de la Terre.

- Sens: Pôle sud magnétique au Pôle nord magnétique.

Fonctionnement:

Hypothèse dynamo:

   La séismologie nous apprend que le noyau externe de la Terre est constitué de fer en fusion et  que'elle réagit comme un liquide; il est conducteur d'électricité. Tel que la dynamo, quand le noyau externe est plongé dans un champ magnétique, en l'occurrence le champ magnétique interplanétaire, des courants électriques prennent naissance accompagnés d'un champ magnétique. Mais en raison de leur résistance ohmique, ces courants décroissent rapidement et ont une durée de vie relativement brève. Il existe donc un mécanisme de régénération des courants électriques qui maintient l'activité du champ magnétique terrestre.

    C'est ici qu'intervient la dynamo auto-excitée : l'idée de Larmor est de supprimer l'aimant permanent du modèle théorique et de le remplacer par des spires électriques. Un solénoïde parcouru par un courant générant un champ magnétique, on suppose que plusieurs milliers de kilomètres sous terre il existe de faibles courants électriques (ceux notamment induits par le champ magnétique interplanétaire et le vent solaire) qui remontent en spirale vers la surface suite à la rotation de la Terre. Ils génèrent autant de petits champs magnétiques qui produisent à leur tour du courant; le système dynamo est ainsi auto-excité. Les intensités de faibles courants s'accumulant, elles donnent finalement naissance au champ magnétique terrestre.

Donc le facteur permettant d’expliquer la régénération du champ magnétique terrestre est le champ magnétique terrestre lui-même.

Autrement dit, l’hypothèse dynamo cherche à expliquer le mécanisme par lequel un corps céleste, comme la Terre, génère un champ magnétique autour d’elle.
Dans le cas de la Terre, on estime que son champ magnétique est causé par le mouvement de convection(mode de transfert par opposition à la conduction) du fer et du nickel fondus à l’intérieur du noyau terrestre extérieur, tel que l’effet Coriolis qu’ apparaît par la rotation du planète.
Quand un fluide conducteur se déplace par un champ magnétique déjà existant, on remarque l’apparition de courants électriques induits, créant un autre champ magnétique. Quand ce champ induit s’ajoute à un champ déjà existant, l’effet qui produit est le même que présente une dynamo: le champ total se soutient lui même.

                                                   

Schéma expliquant la théorie dynamo.

Hypothèse de l'océan mondial:

Pour le moment la théorie plus convaincante est celle de hypothèse dynamo due aux mouvements de convection qui se produit à l'intérieur du noyau métallique et liquide (fer et nickel) de notre planète.  En plus cette hypothèse explique aussi les inversions complètes du champ magnétique terrestre. Cependant le chercheur américain, Gregory Ryskin, de la Northwestern University (États-Unis), a proposé une autre théorie où l’océan intervient. Les océans, composés d'eau salée, sont conducteurs. Les courants océaniques sont donc capables de produire un champ magnétique, selon M.Ryskin non négligeable.Donc l’intensité du champ magnétique change en fonction de la circulation des marées de l’océan mondial, système connectant les eau océaniques  qui représentent la majorité de l’hydrosphère. Une modification de la circulation des marées peut être causé par le mouvement des continents.

Cartes des courants de l'océan mondial

Pour mettre en évidence la présence d'un champ magnétique à la surface de la terre on peut réaliser l'expérience d'Oersted: