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La tempête de ces trois derniers jours est en ligne ICI. Fortes perturbations de la magnétosphère, hier, à voir à la fin de la vidéo.
On appelle variation séculaire, le lent changement du champ magnétique terrestre sur des périodes allant de quelques années à des millénaires. Elle a été découverte en 1634, par Henry Gellibrand qui a comparé ses observations de la déclinaison magnétique à Londres à des observations précédentes. Les observations de la déclinaison magnétique effectuées à Londres pendant plusieurs années sont un des meilleurs registres de la variation séculaire. La figure montre que la déclinaison est passée d'environ 10o E, à la fin du XVIe siècle, à 25o W, au début du XIXe siècle, pour passer à 3o W, à l'heure actuelle.
Tous les éléments du champ magnétique, et non seulement la déclinaison, varient avec le temps. Par exemple, l'intensité totale mesurée à Toronto a diminué de 14 %, passant d'environ 64 000 nT à 55 000 nT, pendant les 160 dernières années.
La carte suivante montre la variation annuelle (soit la variation séculaire sur une année) de la composante verticale du champ magnétique.
Ces trois figures illustrent deux aspects importants de la variation séculaire : cette variation n'est pas stable, aussi bien dans le temps que dans l'espace. La moyenne annuelle de la variation de la composante verticale en valeur absolue (sans signe) est d'environ 45 nT/a. La carte, toutefois, montre des zones de variation séculaire intense, appelées foyers isoporiques, où la variation peut être quatre fois supérieure. La variation séculaire aux foyers isoporiques les plus intenses dépasse 170 nT/a (en décroissance).
Les analyses concluent que trois processus expliquent la plus grande partie de la variation séculaire :
Si l'on compare la partie dipolaire des modèles du champ magnétique fondés sur les harmoniques sphériques, calculés pour différentes années, on constate que l'intensité du dipôle s'est atténuée depuis le début du XIXe siècle. Les données archéomagnétiques ont montré que cette baisse se poursuit en réalité depuis les derniers deux mille ans et que la force actuelle du dipôle ne représente que la moitié de sa valeur d'il y a deux millénaires. La force du dipôle décroît actuellement de 6,3 % par siècle; si la décroissance continue à ce rythme, elle sera de zéro dans environ 1 600 ans. Elle pourrait se mettre à augmenter de nouveau au cours des prochaines décennies.
Au début du XVIIIe siècle, Edmund Halley a remarqué que la ligne agonique (on dit parfois agonale), c'est-à-dire la ligne de déclinaison nulle sur une carte de la déclinaison, se déplaçait lentement vers l'ouest. Depuis, il est bien établi que certains éléments de la variation séculaire, comme les foyers isoporiques, tendent à dériver vers l'ouest à une vitesse moyenne d'environ 0,2E/a. Cette dérive vers l'ouest n'est cependant pas égale partout. Elle est plus forte dans l'hémisphère atlantique que dans l'hémisphère pacifique. Depuis les 150 dernières années, elle est également moins rapide que la moyenne en Amérique du Nord.
Certains éléments du champ géomagnétique ne dérivent pas; ils semblent croître et diminuer à peu près au même endroit. Une particularité persistante du champ géomagnétique au Canada consiste en un maximum d'intensité totale de vaste étendue plus ou moins centré sur le nord du Manitoba. Les observations de la force magnétique totale réalisées au cours de la première moitié du XVIIIe siècle montrent qu'il était déjà présent. Certaines observations indiquent qu'il pourrait s'agir d'une caractéristique semi-permanente du champ géomagnétique qui pourrait exister depuis des millions d'années. Depuis le milieu du XIXe siècle, la valeur du maximum a diminué rapidement, quoique la position de son centre est demeurée à peu près stationnaire. On peut constater sur la figure 13 une baisse de plus de 4 000 nT pendant le XXe siècle.
La variation séculaire, comme le champ magnétique lui-même, provient du noyau externe de la Terre et est une conséquence directe du processus par lequel le champ est produit. Il est probable que plusieurs autres mécanismes soient en action, ce qui se traduit par des changements sur des périodes différentes, dont la plupart peuvent être décrits à l'aide des trois processus mentionnés plus haut. Une des variations séculaires la plus intéressante est le saut de variation séculaire, decovert par up groupe de chercheurs français (Courtillot et al., 1978) qui ont remarqué que les données de plusieurs observatoires magnétiques montraient que la tendance des variations séculaires d'avant 1969 différait beaucoup de celle d'après 1969. Ce changement de tendance était très visible dans la composante orientale du champ magnétique mesurée dans les observatoires européens, mais était détectable par la plupart des observatoires de la planète et s'est produit partout, à peu près au même moment.
La figure suivante est formée de trois graphiques :
Depuis la découverte du saut de 1969, les chercheurs ont décelé cinq autres sauts planétaires, au courant du XXe siècle : en 1901, 1913, 1925, 1978 et 1992. Les deux dernières, ainsi que celle de 1969, sont visibles dans la figure qui montre la variation annuelle de la déclinaison, observée à l'observatoire magnétique de Meanook, au nord d'Edmonton.
Bien que le champ magnétique de la Terre s'apparente à celui produit par un aimant droit, cette analogie ne permet pas d'expliquer son origine. En effet, aucun aimant permanent ne pourrait résister aux températures qui règnent dans le noyau terrestre. En outre, nous savons que le champ géomagnétique existe depuis des centaines de millions d'années. On ne peut pas, non plus, attribuer l'existence du champ géomagnétique actuel à un événement qui se serait produit dans le passé lointain. Le champ magnétique décroît et l'on peut démontrer qu'en l'absence d'un mécanisme qui le régénérerait continuellement, il aurait disparu dans 15 000 ans.
On a proposé plusieurs mécanismes pour expliquer la production du champ magnétique, mais le seul qui ait été retenu propose que la source du champ géomagnétique soit analogue à une dynamo, un dispositif permettant de transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique. Pour comprendre comment cette dynamo planétaire fonctionne, nous devons comprendre les conditions physiques qui règnent à l'intérieur de la Terre.
La Terre est formée de couches : une mince croûte externe, un manteau silicaté, un noyau externe et un noyau interne. La pression et la température augmentent avec la profondeur. À la frontière entre le noyau et le manteau, la température s'élève à près de 4 800 o C; il y fait suffisamment chaud pour que le noyau externe soit liquide. En contrepartie, le noyau interne est solide à cause de la pression plus élevée. Le noyau est principalement composé de fer et d'une petite proportion d'éléments plus légers. Le noyau externe est constamment en mouvement à cause de la rotation terrestre et de la convection. La convection est causée par le mouvement des éléments légers vers le haut, alors que les éléments plus lourds se condensent sur le noyau interne.
Le processus exact de la production du champ magnétique dans cet environnement est extrêmement complexe et plusieurs des paramètres nécessaires à une solution complète des équations mathématiques qui décrivent le problème sont mal connus. Toutefois, les concepts fondamentaux ne sont pas difficiles à comprendre. Plusieurs conditions doivent être satisfaites pour la production d'un champ magnétique :
Dans le noyau externe, toutes ces conditions sont remplies : le fer en fusion est un bon conducteur; on y trouve assez d'énergie pour entretenir la convection; et les mouvements convectifs, couplés avec la rotation terrestre produisent une bonne configuration pour l'écoulement. Avant même l'apparition du champ magnétique terrestre, le champ magnétique du Soleil exerçait son influence. Ce champ existant a servi de champ initial lors du démarrage du processus. Lorsque le fer en fusion circule dans le champ magnétique existant, il génère un courant électrique, grâce au mécanisme d'induction magnétique. Ce courant électrique nouvellement induit crée, à son tour, un champ magnétique. Étant donné la relation entre le champ magnétique et la circulation du liquide, le champ magnétique induit s'ajoute au champ magnétique initial. Tant que le liquide du noyau externe pourra continuer à circuler, le mécanisme se maintiendra.
Le champ magnétique terrestre est une quantité vectorielle : il possède, à chaque point de l'espace, une intensité et une direction particulières. Trois valeurs sont nécessaires à sa description complète en un point. Ce peut être :
La relation entre ces sept éléments est montrée dans le diagramme de la figure 4.
| Composant | Description |
|---|---|
| F | intensité totale du vecteur champ magnétique |
| H | composante horizontale du vecteur champ magnétique |
| Z | composante verticale du vecteur champ magnétique; par convention, Z est positif vers le bas |
| X | composante nord du vecteur champ magnétique |
| Y | composante est du vecteur champ magnétique |
| D | déclinaison magnétique, définie comme étant l'angle entre le nord vrai et la direction de la composante horizontale du champ magnétique, mesurée vers l'est à partir du nord vrai |
| I | inclinaison magnétique, soit l'angle que fait le vecteur champ magnétique par rapport au plan horizontal et dont la valeur est positive vers le bas |
On mesure D et I en degrés et les autres éléments en nanotesla (nT; 1 nT = 10-9 Tesla).
Les sept éléments sont reliés entre eux par ces expressions simples :
On peut calculer les éléments du champ magnétique pour tous les lieux à l'aide du calculateur du champ magnétique.
Le champ magnétique terrestre (ou champ géomagnétique) ressemble à celui produit par un aimant droit (un barreau aimanté). À cause de la présence, à chaque bout de l'aimant, de deux pôles où l'intensité du champ magnétique est maximale, on dit de ce champ qu'il est dipolaire ou qu'il s'agit d'un champ dipôle. À mi-distance des pôles, le champ est moitié moins intense qu'aux pôles. On visualise souvent le champ magnétique sous la forme de lignes - les lignes de force - qui jaillissent d'un bout de l'aimant, le pôle nord, s'infléchissent dans l'espace pour pénétrer à l'autre extrémité de l'aimant, au pôle sud.
On peut expliquer 90 % du champ géomagnétique observé en supposant qu'il existe au centre de la Terre, mais décalé d'environ 550 km du centre réel, un aimant droit, incliné d'environ 11o par rapport à l'axe de rotation de la planète. On peut expliquer les 10 % restant en plaçant des aimants droits à des endroits stratégiques autour de l'aimant principal.
Bien que cette représentation simple permet de conceptualiser le champ magnétique, la réalité à l'intérieur de la Terre est tout autre. Elle ne permet pas, non plus, de calculer l'intensité et la direction du champ magnétique. Habituellement, on décrit mathématiquement le champ géomagnétique à l'aide d'une expansion en harmoniques sphériques, soit une série de fonctions sphériques dépendant des latitudes et des longitudes et de leurs coefficients associés. Chaque groupe de fonctions décrit une partie particulière du champ : les trois premiers termes décrivent un champ dipolaire (deux pôles), les cinq termes suivants, un champ quadripolaire (quatre pôles) et les sept suivants, un champ octopolaire (huit pôles). En modifiant la valeur relative de chaque composante, on peut assez bien approximer la forme du champ.
On appelle modèles de référence du champ magnétique ces descriptions mathématiques du champ géomagnétique. Le modèle de référence le plus utilisé est le Champ géomagnétique international de référence (IGRF) dont on peut trouver une description (en anglais). Ce modèle est renouvelé tous les cinq ans, sous les auspices de l'Association internationale de géomagnétisme et d'aéronomie (AIGA). On peut voir, aux figures 2 et 3, deux des éléments du champ magnétique les plus utiles : la carte de la déclinaison magnétique et la carte de l'intensité magnétique totale.
