Utilisateur:INSA-4GP-gr1/Inversion champ magnetique

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Schéma représentant les inversions du champ magnétique terrestre au cours du temps.
Inversions récentes du champ magnétique (en noir : périodes de même polarité qu'aujourd'hui ; en blanc : périodes de polarité inverse).

L'inversion du champ magnétique terrestre est une perturbation du champ magnétique terrestre dont la conséquence est l’inversion des pôles nord et sud magnétiques.

Selon la théorie en vigueur, le champ magnétique terrestre serait créé par un effet dynamo dans le noyau de la Terre. Ce champ nous protège des flux de particules énergétiques comme les rayonnements cosmiques et galactiques, et donc notamment des vents solaires.

Il arrive qu'une perturbation se produise dans le noyau, entraînant le déplacement rapide des pôles magnétiques sur toute la surface du globe pendant une courte période géologique (de 100[1] à 10 000 ans).

À la fin de cette période de transition, soit les pôles magnétiques reprennent leurs positions initiales (excursion), soit ils permutent (inversion).

Au cours de cette transition, l'intensité du champ magnétique est très faible et la surface de la planète peut être exposée à des radiations. Le champ terrestre s'est inversé environ 300 fois ces derniers 200 millions d'années[2]. La dernière inversion est survenue il y a 780 000 ans (voir le schéma ci-contre).

Genèse[modifier | modifier le code]

En 1905,  Bernard Brunhes  montre que certaines roches volcaniques sont  aimantées dans la direction opposée à celle du champ magnétique terrestre local. Il en conclut alors que le champ magnétique terrestre peut s'inverser[3]. La première estimation du calendrier des inversions magnétiques est  faite dans les années 1920 par Motonori Matuyama, qui observe que les roches avec des champs inversés datent toutes du début du Pléistocène (il y a 2,58 Ma) ou d'avant. À l'époque, la polarité du champ terrestre est  mal comprise et la possibilité d'inversions ne suscite que peu d'intérêt[4][5].

30 ans plus tard, le champ magnétique terrestre est mieux compris et des théories suggérant que le champ terrestre pourrait avoir été inversé dans un passé lointain sont avancées. Bien que l'on ait découvert que certaines roches inversent leur champ magnétique pendant leur refroidissement, il est devenu évident que la plupart des roches volcaniques aimantées conservent des traces de l’état du champ magnétique de la Terre au moment où la roche s'est refroidie. En l'absence de méthodes fiables pour la datation précise des roches, on a pensé que les inversions se produisaient une fois par million d'années environ[4][5].

Les techniques de datation radiométrique développées dans les années 1950 permettent une avancée majeure dans la compréhension des inversions magnétiques. Allan Cox et Richard Doell, à l'United States Geological Survey, veulent alors savoir si les revirements sont survenus à intervalles réguliers, et invitent le géochronologue Brent Dalrymple à rejoindre leur groupe. En 1959,  ils conçoivent ensemble la première échelle de temps de la polarité magnétique. Au fur et à mesure de l'accumulation des données, ils continuent à affiner cette échelle en compétition avec Don Tarling et Ian McDougall de l'université nationale australienne. En parallèle, un groupe dirigé par Neil Opdyke au Lamont-Doherty Geological Observatory montre  que le même schéma d'inversions est enregistré dans les sédiments prélevés au cœur des eaux profondes[5].

Durant les années 1950 et 1960, les informations sur les variations du champ magnétique de la Terre sont recueillies principalement au moyen de navires océanographiques, mais les itinéraires complexes des routes maritimes rendent l'association des données de navigation avec des lectures de magnétomètre difficile. Ce n'est que lorsque les données ont été reportées sur une carte que sont apparues des bandes magnétiques remarquablement régulières et continues sur le plancher océanique[4][5].

En 1963, Frederick Vine et Drummond Matthews fournissent une explication simple en combinant la théorie de l'expansion des fonds océaniques de Harry Hess avec l'échelle de temps connue des inversions. Ainsi, le fond marin, continuellement créé au niveau des dorsales, garde la même polarité que le champ magnétique contemporain de son refroidissement. L'expansion des fonds océaniques à partir d'une crête centrale produit donc des bandes magnétiques parallèles à son arête[6].

En janvier 1963, le Canadien LW Morley propose de manière indépendante une explication similaire mais son travail est rejeté par les revues scientifiques Nature et le Journal of Geophysical Research, et reste inédit jusqu'en 1967, quand il  apparaît dans le magazine littéraire Saturday Review[4]. Le travail de Morley-Vine-Matthews est le premier test scientifique déterminant de la théorie de l'expansion des fonds océaniques et de la dérive des continents[5].

À partir de 1966, les scientifiques du Lamont-Doherty Geological Observatory constatent que les profils magnétiques de la crête du Pacifique-Antarctique sont symétriques et correspondent à ceux des crêtes de la dorsale de Reykjanes dans l'Atlantique Nord. Les mêmes anomalies magnétiques sont trouvées dans la majeure partie des océans du monde, ce qui  permet une estimation de la date à laquelle la plus grande partie de la croûte océanique s'est développée[4][5].

Hypothèses sur les mécanismes d’inversion[modifier | modifier le code]

Si les inversions du champ magnétique terrestres sont des faits, les explications concernant les processus à leur origine restent hypothétiques.

La première théorie à connaître pour tenter de comprendre les inversions est la suivante : le noyau de la Terre, comme celui d'autres planètes, est une gigantesque dynamo magnétohydrodynamique qui génère le champ magnétique terrestre. Ce phénomène serait dû aux mouvements de convection du noyau externe, composé d'alliages de fer et de nickel en fusion, et aux courants électriques induits.

Simulation sur ordinateur de la NASA utilisant le modèle de Glatzmaier et Roberts[7]. Les tubes représentent des lignes de champ magnétique, bleus quand elles vont en direction du centre (elles rentrent dans le noyau par le nord magnétique) et jaunes lorsqu'elles s'en éloignent (elles sortent du noyau par le sud magnétique). L'axe de rotation de la Terre est centré et vertical. Les amas denses de lignes sont dans le noyau terrestre.

Il existe des simulations qui montrent que les lignes de champ magnétique peuvent parfois se désorganiser et s'entremêler à cause des mouvements chaotiques de métal liquide dans le noyau. Un exemple de simulation est celle de Gary Glatzmaier et Paul Roberts, de l’UCLA . Elle reproduit les principales caractéristiques du champ magnétique pendant une période de 40 000 ans au cours de laquelle une inversion a pu être observée[7][8]. Elle montre, d’une part, que pendant une période d’inversion l’axe du champ magnétique change extrêmement rapidement jusqu’à l’inversion totale ; et d’autre part que le champ magnétique ne peut pas disparaître complètement car de nombreux pôles se forment à différents endroits.

Des inversions irrégulières ont également été observées en laboratoire lors d’expérimentations sur le métal liquide (VKS)[9].

Dans ces simulations, le champ magnétique s'inverse spontanément à la suite d'une instabilité dans le noyau. Ce scénario est soutenu par les observations du champ magnétique solaire, qui subit des inversions spontanées tous les 9-12 ans environ. Cependant, on observe que l'intensité magnétique solaire augmente considérablement avant une inversion, tandis que sur Terre les inversions semblent se produire pendant les périodes de faible intensité du champ[10].

Événement déclencheur[modifier | modifier le code]

Certains scientifiques, comme Richard A. Muller, pensent que les inversions géomagnétiques sont déclenchées par des événements qui perturbent le flux du noyau de la Terre. Ces événements pourraient être d'origine externe, comme un impact cosmique'"`UNIQ--nowiki-0000003E-QINU`"'11'"`UNIQ--nowiki-0000003F-QINU`"'[11][11][11][11][11][11][11][11][12], ou interne, comme l'arrivée de dalles continentales charriées dans le manteau par l'action de la tectonique des plaques dans les zones de subduction ou l’apparition de nouveaux panaches à la limite de la frontière noyau-manteau[13]. Les partisans de cette théorie soutiennent que l'un de ces événements pourrait conduire à une perturbation à grande échelle de la dynamo terrestre. Comme le champ magnétique est stable, que ce soit dans l'orientation nord-sud actuelle ou dans une orientation inversée, ils suggèrent que lorsque le champ se remet d'une telle perturbation, il choisit spontanément un état ou l'autre, de telle façon que la moitié des récupérations s'accompagnent d'une inversion. Cependant, le mécanisme proposé ne semble pas fonctionner du point de vue quantitatif, et les preuves stratigraphiques d'une corrélation entre inversions et impact cosmique sont faibles. Plus frappant encore, il n'existe aucune preuve d'une inversion liée à l'impact cosmique qui a causé l'extinction du Crétacé-Tertiaire'"`UNIQ--nowiki-00000047-QINU`"'14'"`UNIQ--nowiki-00000048-QINU`"'[14][14][14][14][14][14][14][14].

Processus d’inversion[modifier | modifier le code]

La première théorie a avoir été énoncée est celle selon laquelle la dynamo terrestre s’arrête, soit spontanément soit à la suite d'un événement déclencheur, et repart d’elle même après une période de transition (de 1 000 à 10 000 ans). Après son redémarrage, le pôle nord magnétique est soit aligné, soit inversé par rapport au pôle nord géographique. Quand le nord réapparaît dans la direction opposée, c'est une inversion ; quand il reprend sa position initiale, c'est une excursion géomagnétique.

Une autre théorie est proposée par une équipe de scientifiques français. Selon les travaux de paléomagnétisme qu'ils ont menés, une transition se déroule de la manière suivante : le pôle nord se déplace, traverse l’équateur (arrivant parfois jusqu’en Antarctique), puis se dirige vers l’est avant de retourner au nord géographique selon une grande boucle décrite dans le sens des aiguilles d’une montre. Parfois, l’excursion a lieu en sens inverse, mais selon le même chemin. Dans tous les cas, ce mouvement est accompagné d’un affaiblissement sensible de la valeur du champ.

Cette similarité des trajectoires conduit ces scientifiques à émettre l’hypothèse que le champ magnétique terrestre est constitué de deux champs distincts, celui de la graine (noyau interne), composée de métal solide, et celui du noyau externe. La graine constitue une sorte de « réservoir magnétique » accumulant ce champ externe.

Lorsque, pour une raison inconnue, le champ magnétique du noyau externe s’inverse, le champ magnétique de la graine peut suivre ou ne pas suivre ce mouvement, selon son ampleur. Si les deux champs basculent, on obtient une inversion totale ; si le champ de la graine résiste, le champ du noyau externe revient à son orientation initiale, c'est une excursion[15].

Puisque l'orientation des pôles reste la même après une excursion géomagnétique, il est difficile de les reconnaître dans les archives géologiques naturelles. On dispose donc de peu de données les concernant[16].

Plus récemment, en octobre 2012, l'étude fine de plusieurs coulées volcaniques superposées tend à montrer que les inversions s’effectuent en trois étapes qui durent en moyenne 2 000 ans chacune. La première est la phase dite précurseur : le pôle se déplace vers l’équateur terrestre puis reprend sa position d’origine. La deuxième phase, appelée transition, est rapide et conduit à une polarité inverse qui n’est pas tout de suite véritablement établie (champ encore instable) car il s’ensuit une troisième phase dite de rebond ramenant les pôles vers l’équateur avant qu’ils ne basculent définitivement[17].

IMAGE

Durée d'inversion[modifier | modifier le code]

En général on estime la durée d'une transition de polarité entre 1 000 et 10 000 ans20.

Cependant, les études des coulées de lave sur les Steens Mountain, en Oregon, indiquent que le champ magnétique pourrait avoir changé jusqu'à 10 000 fois plus vite que la normale, il y a 15 millions d'années[18]. Ceci a été d'abord accueilli avec scepticisme par les paléomagnétistes, car même en cas de changements aussi rapides dans le noyau, le manteau, qui est un semi-conducteur, est censé agir comme un filtre passe-bas, en supprimant les variations pour des périodes de moins de quelques mois. Les roches étudiées ne pourraient alors pas présenter d’anomalie magnétique pour des laps de temps si courts. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer un faux signal[19]. Pourtant, les études paléomagnétiques d'autres zones de la même région (le Trapp du Plateau du Columbia) donnent des résultats cohérents[20][21]. L'étude de la dernière transition en date montre également que celle-ci s'est déroulée extrêmement rapidement (de l'ordre de la durée de vie humaine)[22][23].

Il semble que la période de polarité inversée qui marque la fin de Chron C5Cr (16,7 millions d'années) contienne une série d’inversions et d'excursions[24].

En outre, les géologues Scott Bogue d'Occidental College et Jonathan Glen du United States Geological Survey ont trouvé des preuves, en faisant des prélèvements dans les coulées de lave à Battle Mountain, au Nevada, que lors d'une inversion qui a eu lieu 15 millions d'années plus tôt, la transition n'a duré que quelques années et la direction du champ a changé de plus de 50°[25]'[26].

Étude des inversions du passé[modifier | modifier le code]

L'échelle de temps[modifier | modifier le code]

Grâce à l'analyse des anomalies magnétiques du plancher océanique et à la datation des séquences d'inversion sur la terre, les paléomagnéticiens ont mis au point une échelle de temps de la polarité géomagnétique (TAG). L'intervalle de temps entre deux inversions est nommé intervalle de polarité. L'échelle de temps actuelle en contient 184 dans les 83 derniers millions d'années[27]'[28].

Les intervalles de polarité ont été classés selon leur durée :

Durée des intervalles de polarité Entre 100Ma et 1Ga Entre 10 et 100Ma Entre 1 et 10Ma Entre 100 000 ans et 1Ma Entre 30 000 et 100 000 ans Moins de 30 000 ans
Nom donné à l’intervalle Megachron Superchron Chron Subchron Microchron Cryptochrons

Ma = Millions d’années ; Ga = Milliard d’années

Les intervalles de polarité qui durent moins de 30 000 ans sont nommés Cryptochrons car les techniques actuelles ne permettent pas de les distinguer des excursions géomagnétiques[29].

Exemples de Superchrons : informations et validation [modifier | modifier le code]

Il existe deux superchrons bien établis, le Cretaceous Normal et le Kiaman. Un troisième candidat, le Moyero, est plus controversé. La Jurassic Quiet Zone était autrefois considérée comme un superchron, mais est maintenant attribuée à d'autres causes.

  • Le Cretaceous Normal (aussi appelé le Cretaceous Superchron ou C34) a duré près de 40 Ma , de 120 à 83 millions d'années, c'est-à-dire, dans la période du Crétacé, de l'Aptien jusqu'au Santonien. La fréquence des inversions magnétiques a progressivement diminué au cours de la période, atteignant son point le plus bas (pas d'inversions) durant le Crétacé. Entre le Cretaceous Normal et le présent, la fréquence a généralement augmenté lentement[30].
  • Le Superchron Kiaman a duré approximativement de la fin du Carbonifère à la fin du Permien (environ 50 Ma), de 312 à 262 millions d'années avant notre ère[30]. Le nom Kiaman dérive du village australien de Kiama, où les premières preuves géologiques de l'existence de ce superchron ont été trouvées en 1925'"`UNIQ--nowiki-0000007D-QINU`"'31'"`UNIQ--nowiki-0000007E-QINU`"'[31][31][31][31][31][30][30][30].

Certaines zones du fond de l'océan, âgées de plus de 160 Ma, présentent des anomalies magnétiques de faible amplitude qu'il est difficile d'interpréter. On les trouve sur la côte Est de l'Amérique du Nord, la côte nord-ouest de l'Afrique, et dans le Pacifique occidental. On a d'abord pensé qu'il s'agissait d'un superchron appelé la Jurassic Quiet Zone, mais des anomalies magnétiques ayant eu lieu lors de cette période ont été découvertes. Le champ géomagnétique est connu pour avoir eu une faible intensité entre environ 170 Ma et 130 Ma A.N.E., et ces parties du fond de l'océan sont particulièrement profondes, ce qui atténue le signal entre le fond de l’océan et la surface[33].

Fréquence des inversions[modifier | modifier le code]

La fréquence des inversions du champ magnétique terrestre a varié considérablement au fil du temps.

  • Il y a 72 Ma : 5 inversions en un million d'années.
  • Il y a 54 Ma : 10 inversions en quatre millions d’années.
  • Il y a environ 42 Ma : 17 inversions en trois millions d'années.
  • Il y a 24 Ma : 13 inversions en trois millions d'années.
  • Il y a 15 Ma : 51 inversions en douze millions d'années.

Ces périodes pendant lesquelles l'inversion est fréquente alternent avec quelques superchrons[34].

Excursions récentes[modifier | modifier le code]

On donne généralement à une excursion le nom de l'endroit où on l'a découverte :

Cette frise donne un aperçu de la répartition des excursions géomagnétiques connues qui ont eu lieu de -670 000 à nos jours. Elle n'est pas à l'échelle.
  • L'excursion de Mono lake, il y a 33 000 ans.
  • L'excursion de Laschamp, il y a 41 000 ans.
  • L'excursion de Blake, il y a 120 000 ans.
  • L'excursion de Iceland Basin, il y a 188 000 ans.
  • L'excursion de Pringle Falls, il y a 211 000 ans.
  • L'excursion de Big Lost, il y a 570 000 ans.
  • L'excursion de Stage 17, il y a 670 000 ans.

Toutes ces excursions ont eu lieu pendant le chron actuel, c'est-à-dire après la dernière inversion en date. D'autres excursions plus anciennes ont été découvertes comme Cobb Mountain, qui a eu lieu il y a 1,2 million d'années[29].

Propriétés statistiques[modifier | modifier le code]

Généralités confirmées[modifier | modifier le code]

Plusieurs études ont analysé les propriétés statistiques des inversions dans l'espoir d'en apprendre plus sur leurs mécanismes sous-jacents. Les analyses et tests statistiques sont limités par le faible nombre d'intervalles de polarité et par la variation du taux d’inversion au fil du temps, comme mentionné ci-dessus. Néanmoins, certaines caractéristiques générales sont bien établies. En particulier, le modèle des inversions est aléatoire : il n'existe aucune corrélation entre les longueurs des intervalles de polarité, il n'y a pas de préférence pour la polarité normale ou inversée, et aucune différence statistique entre les distributions de ces polarités[35].

Modèles statistiques utilisés[modifier | modifier le code]

Comme expliqué précédemment, l’inversion du champ magnétique terrestre ne semble pas suivre de loi statistique. Cette absence de parti pris est aussi une prédiction robuste de la théorie de la dynamo[30].

La plupart des modèles statistiques d'inversion analysent les inversions du champ magnétique comme un processus de Poisson, ou d'autres types de processus de renouvellement. Un processus de Poisson aurait, en moyenne, un taux d'inversion constant, de sorte qu'il est courant d'utiliser un processus non stationnaire de Poisson (rappelons que le taux d'inversion n’est pas constant mais varie au cours du temps).

Cependant, comparé à un processus de Poisson, il y a une probabilité réduite d'inversion pour des dizaines de milliers d'années après une inversion. Cela signifie qu’avec cette théorie, une inversion pourrait survenir seulement quelques dizaines de milliers d’années après une précédente inversion, alors que les observations menées sur Terre ne concordent pas forcément : les inversions ont lieu à des intervalles de temps plus élevés et il est peu probable qu’elles se produisent si tôt après une inversion passée. Cette différence pourrait être due à une inhibition dans le mécanisme sous-jacent, ou pourrait simplement signifier que certains intervalles de polarité plus courts ont été manqués[30] lors des observations du magnétismes des roches (la précision des techniques de mesures ne permet pas de conclure sur des courtes périodes d’inversion). Un modèle d'inversion aléatoire avec inhibition peut être représenté par un processus gamma. En 2006, une équipe de physiciens de l'Université de Calabre a constaté que les inversions pouvaient également se conformer à une distribution de Lévy, qui décrit des processus stochastiques avec des corrélations à long terme entre les événements dans le temps[36]'[37]. Les données sont également compatibles avec un processus déterministe, mais chaotique[38].

Hypothèses sur la périodicité[modifier | modifier le code]

Le caractère aléatoire de l'inversion est incompatible avec la périodicité[39], mais plusieurs auteurs ont prétendu avoir trouvé la périodicité de l’inversion du champ. Cependant, ces résultats sont probablement des artefacts d'une analyse utilisant des fenêtres glissantes pour déterminer les taux d'inversion[40].

Techniques d'observation et systèmes de mesure[modifier | modifier le code]

L’étude des minéraux magnétiques présents dans les roches permet de remonter aux variations du champ magnétique terrestre.

Mémoire magnétique dans les roches[modifier | modifier le code]

Les roches comportant des minéraux ferromagnétiques (ou plus exactement, ferrimagnétiques) contenus dans les dépôts sédimentaires consolidés ou dans les coulées volcaniques refroidies par exemple, contiennent des informations sur les précédentes inversions du champ magnétique terrestre. L’étude de ces mémoires magnétiques, couplée à la datation des roches examinées, permet de remonter aux inversions passées et à la date où elles se sont produites. Cette approche est appelée la magnétostratigraphie. Il existe deux disciplines principales consacrées à l’étude et la datation des événements de polarité géomagnétique. Ces deux domaines diffèrent par le type de roche sur lesquelles le magnétisme est étudié : dans le paléomagnétisme, les roches sédimentaires et volcaniques sont étudiées alors que l’archéomagnétisme, branche du paléomagnétisme, se concentre principalement sur l’étude de la magnétite dans l’argile.

Les inversions géomagnétiques qui ont déjà eu lieu ont d'abord été remarquées en observant les anomalies des bandes magnétiques sur le plancher océanique. Lawrence W. Morley, Frederick John Vine et Drummond Hoyle Matthews ont fait le lien avec l'expansion océanique dans l'hypothèse Morley-Vine-Matthews[6]'[41] qui a rapidement conduit à l'élaboration de la théorie de la tectonique des plaques. Le taux relativement constant auquel le plancher océanique se répand crée des bandes dans le substrat à partir desquelles la polarité du champ magnétique passé peut être déduite, grâce notamment au remorquage d'un magnétomètre le long du plancher océanique.

Puisqu'aucune zone de subduction (poussée du plancher océanique sur des plaques continentales) existant actuellement n'a plus de 190 millions d'années (Ma), d'autres méthodes sont nécessaires pour détecter les inversions plus anciennes. La plupart des roches sédimentaires contiennent de petites quantités de minéraux riches en fer, dont l'orientation est influencée par le champ magnétique ambiant au moment où elles se sont formées. Ces roches peuvent conserver un enregistrement du champ s'il n'est pas effacé par un changement chimique, physique ou biologique par la suite.

Puisque le champ magnétique est global, des schémas similaires de variations magnétiques obtenus dans différents lieux peuvent être utilisés pour confirmer la datation. Au cours des quatre dernières décennies beaucoup de données paléomagnétiques sur l'âge du plancher océanique (jusqu'à ~ 250 Ma) ont été recueillies et sont utilisées pour estimer l'âge des coupes géologiques. Cette technique dépend de méthodes de datation absolue comme les procédés radiométriques pour déterminer la date d'une inversion. Elle est devenue particulièrement utile pour les géologues métamorphiques et magmatiques qui disposent de peu de fossiles stratigraphiques.

Mécanisme de conservation du magnétisme dans les roches[modifier | modifier le code]

Les roches examinées pour étudier les inversions du champ magnétique sont composées de minéraux ferrifères, c’est-à-dire qu’ils comportent des éléments de fer. La magnétite en est un exemple. Ces minéraux ferromagnétiques ont la particularité de s’orienter dans le sens du champ magnétique lors de leur formation (la roche est alors ductile, ses composants peuvent donc bouger légèrement entre eux). Lorsque la roche durcit ils conservent cette orientation. Ils enregistrent donc l’orientation du champ magnétique telle qu’elle était au moment de la formation de la roche[42].

Il existe divers types d’aimantation rémanente dans les roches selon la manière dont celle-ci est apparue (pendant la formation de la roche ou plus tard) :

  • aimantation thermorémanente : les minéraux ferrifères ont gardé leur orientation lors du refroidissement de la roche (au passage de la température de Curie).
  • aimantation rémanente détritique : les grains magnétiques des sédiments s’alignent avec le champ magnétique terrestre lors de leur dépôt sur une roche ou un sol.
  • aimantation rémanente chimique : les grains magnétiques produits pendant une réaction chimique enregistrent la direction du champ en s’orientant dans le même sens.
  • aimantation rémanente isotherme.

Il faut toutefois noter que seule l’aimantation thermorémanente de la lave enregistre de manière précise les variations rapides du champ magnétique terrestre[17].

Techniques de mesure[modifier | modifier le code]

Les premières mesures du magnétisme des roches ont été faites directement au sol, dans des zones précises, afin de valider les premières théories sur l'inversion du champ magnétique terrestre, ou d’étudier précisément le magnétisme de certains lieux. De nos jours, ces mesures sont faites à bord d’avions, ce qui permet d’avoir une continuité des lignes de champ et supprime les anomalies très localisées. On peut donc cartographier plus facilement et plus rapidement la surface du globe en fonction des anomalies magnétiques détectées. Notons que les changements d’altitude n’entraînent qu’une très faible diminution de la valeur du champ magnétique[43].

Pour déterminer les variations du champ magnétique dans le plancher océanique, il est également possible de remorquer un magnétomètre sur les océans.

Au sol, la boussole peut être utilisée pour détecter des anomalies magnétiques dans les roches. Elle peut être approchée directement de la surface d’une roche (peu précis et indique seulement la présence d’une anomalie) ou être insérée dans celle-ci après qu’on y a effectué un forage. On peut alors utiliser en plus un inclinomètre pour déterminer l’orientation du champ à l’intérieur de la pierre.

Appareils de mesure[modifier | modifier le code]

L’instrument le plus simple pour mesurer l’orientation du magnétisme d’une roche au sol, et par conséquent une éventuelle anomalie par rapport à l'orientation du champ magnétique terrestre, est la boussole. Éloignée de toute roche ou perturbation, celle-ci montrera la direction du nord magnétique de la Terre. Cependant, lorsqu’on l’approche d’une roche ayant une aimantation différente, l’aiguille de la boussole va changer de direction, indiquant alors une anomalie magnétique dans cette roche comparé au magnétisme terrestre. Toutefois, cette technique de mesure reste peu précise puisque l’indication donnée par la boussole n’est en général perturbée qu’à très faible distance de la roche (observations limitées le plus souvent à une dizaine de centimètres) et que la boussole en elle-même n’est pas assez sensible pour que les effets des petites anomalies soient perceptibles[42].

Il existe d’autres appareils permettant de mesurer un champ magnétique, comme le magnétomètre qui reste le plus répandu. Cet appareil sert à mesurer selon les cas l’intensité ou la direction d’un champ magnétique, ou l’aimantation d’un échantillon. Il repose sur un élément sensible au champ magnétique, le capteur de champ magnétique qui, lorsqu'il est associé à un dispositif électronique, permet d'extraire la mesure du champ magnétique. Les magnétomètres peuvent être classés en deux catégories : ceux qui résolvent le champ magnétique total en composantes horizontale et verticale ; et ceux qui mesurent l'intensité du champ magnétique total (résultante du champ magnétique normal et anomalique s'il y a lieu). Il existe également plusieurs types de magnétomètres, différenciés selon leur principe de fonctionnement [44]:

  • Magnétomètre atomique
  • Magnétomètre à protons : il utilise la résonance magnétique nucléaire (la fréquence de résonance des protons est proportionnelle au champ appliqué)
  • Magnétomètre à pompage optique
  • Magnétomètre à induction : on fait varier un champ magnétique à travers une bobine, celui-ci crée une tension électrique aux bornes de la bobine qui permet de remonter à la variation du champ magnétique

De nombreux autres appareils basés sur des principes physiques différents permettent de mesurer un champ magnétisme, et par conséquent de remonter au magnétisme d’une roche :

  • Inductomètre
  • Inclinomètre à bobine tournante
  • Sonde à saturation ou fluxgate
  • Variomètre (sonde à induction)[44]

Conséquences d'une inversion[modifier | modifier le code]

Actuellement, les conséquences d’une inversion restent hypothétiques puisque l’Homme n’a jamais pu les constater directement. Le manque de preuve et d’observation conduit à présenter uniquement des effets possibles. L’effet le plus direct d’un changement du champ magnétique est la mise hors service de technologies utilisant celui-ci. D’autre part, l’augmentation des bombardements cosmiques suite à l’affaiblissement du champ magnétique pourrait avoir des conséquences sur le climat, le monde du vivant (mutations génétiques et possibles extinctions) ainsi que sur la technologie (effondrement des réseaux électriques comme celui qui a eu lieu au Québec en 1989 suite à une tempête géomagnétique).

Effets des bombardements cosmiques[modifier | modifier le code]

Dans une étude parue en 2011[45], des scientifiques indiens ont tenté de faire une synthèse des différents phénomènes liés aux bombardements cosmiques sur Terre. Cette étude se place dans les conditions normales de bombardement, c’est-à-dire lorsque le champ magnétique terrestre n’est pas affaibli. Cependant, elle permet de mettre en avant des processus qui pourraient être amplifiés dans le cas d’un affaiblissement du champ magnétique terrestre, et donc d’une inversion.

Les auteurs ont notamment pu mettre en évidence le fait que les particules cosmiques sont la principale source d’ionisation des couches basses de l’atmosphère. Or cette ionisation influence de nombreux phénomènes comme la formation d’aérosols, la formation de nuages et leur charge électrique ainsi que la création d’éclairs. Ces phénomènes, en particulier le taux de couverture nuageuse, ont un impact sur la température atmosphérique et donc sur le climat. L’étude établit donc une corrélation à long terme entre les bombardements cosmiques et climat. Cependant, aucune corrélation n’a été trouvée avec le réchauffement climatique que l’on observe actuellement.

Une autre étude datée de 2010[46], conduite par des scientifiques français de l’INSU, postule que l’augmentation des bombardements cosmiques liés à l’affaiblissement du champ magnétique terrestre pendant une inversion conduit à la production d'oxyde nitrique, substance détruisant la couche d'ozone. Ceci engendrerait un accroissement de l’exposition des êtres vivants aux UV-B et favoriserait donc les mutations génomiques, voire entraînerait l'extinction de certaines espèces.

Pour récapituler, les événements qui pourraient se produire lors des inversions du champ magnétique sont les suivants :

  • Augmentation du taux d’ionisation des couches basses de l’atmosphère.
  • Augmentation de la fréquence des événements kéraunique (éclairs).
  • Augmentation du taux de couverture nuageuse.
  • Variation de température (sans toutefois provoquer de réchauffement climatique).
  • Augmentation des mutations génétiques[47] (facteurs mutagènes accrus, avec par exemple la baisse de la protection contre les rayons Ultraviolets)
  • Effondrement du réseau électrique et impossibilité d’utilisation des appareils basés sur le magnétisme[1].

Il est important de préciser que ces effets sont inhomogènes à l‘échelle de la planète car ils dépendent notamment de l’épaisseur de l’atmosphère. Ils sont donc moins marqués sous les faibles latitudes (près de l’équateur).

Hypothèses concernant les extinctions[modifier | modifier le code]

Peu de temps après que la première échelle de temps de polarité géomagnétique ait été produite, des scientifiques ont commencé à se demander si les événements de polarité pourraient être liés à des extinctions[48].

Ils ont émis l’hypothèse que, si l'intensité du champ magnétique diminue fortement, les particules de haute énergie piégées dans la ceinture de Van Allen pourrait être libérées et bombarder la Terre[49]'[50].

Une autre hypothèse de McCormac et Evans suppose que le champ terrestre disparaîtrait entièrement lors des inversions[51]. Ils soutiennent que l'atmosphère de Mars pourrait avoir été érodée par le vent solaire, car elle n'avait pas de champ magnétique pour la protéger.

Cependant, les mesures de la paléointensité des 800 000 dernières années[52] révèlent que le champ magnétique ne disparaît pas complètement. La magnétopause reste toujours à une distance estimée à environ trois rayons terrestres lors de l'inversion Brunhes-Matuyama[49].

Si le champ magnétique s'affaiblit fortement ou disparaît, l'impact du vent solaire peut induire un champ magnétique suffisant dans l'ionosphère pour protéger la surface des particules énergétiques'"`UNIQ--nowiki-000000DD-QINU`"'53'"`UNIQ--nowiki-000000DE-QINU`"'[53][53][53][50][50][50][49][49], mais cette collision engendrerait une radiation secondaire de type 10Be ou 36Cl que ce soit pendant les excursions[54]'[55] ou pendant les inversions[56]'[57].

Les tests de corrélation entre les extinctions et les inversions sont difficiles pour un certain nombre de raisons. Les gros animaux sont trop rares dans le registre fossile pour de bonnes statistiques. Même les données de microfossiles peuvent être sujettes à caution, puisque le registre fossile n'est fondamentalement pas complet. On peut avoir l'impression qu'une extinction s'est produite à la fin d'un intervalle de polarité alors que nous n'avons tout simplement découvert aucune donnée sur le reste de cet intervalle de polarité[19].

L'analyse statistique ne suggère aucune corrélation entre les inversions et les extinctions54,45,55[49]'[58]'[59].

Il se peut, cependant, que les extrémités des superchrons aient connu une convection vigoureuse menant à un volcanisme très important, et que les cendres rejetées dans l'air aient provoqué des extinctions[60].

Les scientifiques français de l'INSU, cités précédemment et ayant postulé l’augmentation de la production d’oxyde nitrique lors d’inversions, ont remarqué que la disparition de l'Homme de Néandertal s'était produite pendant l'excursion de Laschamp. Les techniques récentes de datation permettent de situer cette extinction entre 41 et 34 000 ans. Ils pensent que les Néandertaliens ont dû faire face à un accroissement de la production d'UV-B pendant une longue période avec des pics importants lors des éruptions solaires. On a pu étudier ces effets en Amérique du Sud à cause de l'Anomalie magnétique de l'Atlantique sud'"`UNIQ--nowiki-00000106-QINU`"'61'"`UNIQ--nowiki-00000107-QINU`"'[61][61][61][58][58][58][57][57]. Selon les auteurs, la survie de l’Homme moderne, qui vivait durant la même période que l’Homme de Néandertal, serait liée au fait qu’ils étaient dispersés dans des zones géographiques variées, dont certaines dans les basses latitudes qui auraient été moins affectées par la diminution de la couche d’ozone.

Rappelons pour finir que ce paragraphe transcrit des hypothèses provenant de différents scientifiques. Le manque de preuves matérielles ne permet ni de valider, ni d’infirmer ces théories. 

Variations contemporaines du champ magnétique : vers une nouvelle inversion ?[modifier | modifier le code]

Variations du champ magnétique depuis la dernière inversion

L'étude de la magnétite présente dans les poteries antiques permet de mesurer l'intensité du champ magnétique terrestre à l'époque de la création de l'objet. Cette technique permet de dire que l'intensité du champ terrestre diminue depuis 1 500 ans. Les mesures effectuées sur tout le globe confirment que l'intensité s'est réduite de 10 % en 50 ans.[62]

Le taux de diminution et l'intensité actuelle sont dans la plage normale de variation, comme en témoignent les variations précédentes, imprimées dans la roche, du champ magnétique.

La nature du champ magnétique terrestre est l'une des fluctuations hétéroscédastiques. Une mesure instantanée du champ, ou plusieurs mesures de celui-ci tout au long des décennies ou des siècles, ne suffisent pas pour extrapoler une tendance générale quant à l'intensité du champ. Il a augmenté et diminué dans le passé sans aucune raison apparente. De plus, noter l'intensité locale du champ dipolaire (ou de ses fluctuations) est insuffisant pour caractériser le champ magnétique terrestre dans son ensemble, car il n'est pas strictement dipolaire. L'élément dipolaire du champ terrestre peut diminuer alors même que le champ magnétique total reste le même ou augmente.

Le pôle Nord magnétique de la Terre s'est déplacé du nord du Canada vers la Sibérie (de 1 100 km) avec une vitesse actuellement croissante. En 1970, il bougeait de 10 km par an, contre 40 km en 2003[63]et depuis lors n'a fait qu'accélérer[64]. Dans la dernière décennie, le nord magnétique se déplaçait d'environ un degré tous les cinq ans[65].

En 2013, l'Agence spatiale européenne a lancé la mission SWARM, dont l'un des objectifs est de prévoir la date de la prochaine inversion[66].

Cependant, personne n’est sûr que la diminution du champ continuera dans le futur. Comme jamais personne n’a observé ces inversions et comme le mécanisme de génération du champ magnétique n’est toujours pas bien compris, il est difficile de dire si les variations observées sont les signes d’une nouvelle inversion ou d’une excursion géomagnétique.

Dans un article publié en 2017 sur le site The Conversation, deux chercheurs de l'université de Leeds expliquent qu'une nouvelle inversion des pôles magnétiques de la Terre pourrait se produire d'ici 2 000 ans[67].

Dans les œuvres de fiction[modifier | modifier le code]

  • Dans les différents comics Marvel (depuis 1939), l’inversion des pôles magnétiques est une des pires menaces que représente le pouvoir de Magnéto. Dans l’univers principal, il l’utilise comme moyen de chantage envers l’ONU. Dans l’univers Ultimate Marvel, cette menace est réalisée dans la saga Ultimatum. Pour les besoins de l’histoire, le scénario utilise les hypothèses les plus pessimistes sur les conséquences d’une inversion brutale.
  • Dans l'épisode 22 de la série animée Goldorak (1976), Les massacreurs du ciel, le Professeur Procyon développe un magnéti-fisseur, destiné à inverser les lignes de force magnétique de la Terre[68].
  • Dans le film Fusion (2003), le cœur de la Terre s'est arrêté. Il commence donc à apparaître des phénomènes alarmants.
  • Dans la série Nick Cutter et les Portes du temps (2007-2011), l'inversion des pôles magnétiques de la Terre est responsable de la formation de portails spatio-temporels, appelés anomalies.
  • Dans le film 2012 (2009), le pôle sud magnétique se retrouve dans le Wisconsin.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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