Le magnétisme terrestre
La compréhension du magnétisme terrestre a constitué un pas très important dans la formulation de la théorie de la tectonique des plaques.
Deux aspects du magnétisme retiennent l'attention:
le paléomagnétisme et les inversions du magnétisme terrestre.
La découverte de bandes d'anomalies magnétiques sur les planchers océaniques parallèles aux dorsales est venue cautionner la théorie de l'étalement des fonds océaniques de Hesse.
1 - Le Paléomagnétisme
Bien que les Chinois aient découvert les premiers le magnétisme terrestre dès l'an 1040, il revient à William Gilbert, physicien et médecin de la reine Elisabeth I d'Angleterre au 16e siècle, d'avoir réalisé que si l'aiguille aimantée d'une boussole pointe invariablement vers le Nord, c'est qu'il y a quelque chose, une sorte d'aimant placé au centre de la terre, et qu'il devient possible de calculer la direction et l'intensité du champ magnétique en tout point de la surface du globe.
La terre agit comme un dipôle magnétique, ou encore comme un aimant. Les lignes de forces magnétiques établissent tout autour de la planète un champ magnétique terrestre. C'est la raison pour laquelle l'aiguille d'une boussole s'aligne automatiquement selon les lignes de force, dans une direction nord-sud.
Il aura fallu attendre près de deux siècles, soit vers la fin du 19e siècle, pour qu'on développe le magnétomètre, un appareil capable de mesurer l'intensité du champ magnétique, ouvrant la porte à l'exploration quantitative du champ magnétique terrestre.
On se rend compte alors qu'il y a des anomalies, i.e. des différences entre les intensités mesurées en un lieu donné et les intensités théoriques calculées selon l'hypothèse de Gilbert: anomalie positive (champ réel > champ théorique) et anomalie négative (champ réel
< champ théorique).
La carte ci-dessous présente une vue de l'hémisphère Nord centrée sur le pôle Nord magnétique, selon la géographie actuelle. Le trait rouge indique la trajectoire apparente du pôle nord magnétique terrestre établie à partir de plusieurs mesures du paléomagnétisme sur des échantillons datant de l'Éocène au Cambrien, prélevés sur le continent européen. En trait bleu, c'est la trajectoire établie à partir d'échantillons datant de l'Éocène au Silurien, prélevés sur le continent nord-américain. En trait vert, c'est la trajectoire établie à partir d'échantillons datant de l'Éocène au Jurassique, prélevés en Inde. E=Éocène (50 Ma); J=Jurassique (175 Ma); T=Trias (225 Ma); P=Permien (260 Ma); Ca=Carbonifère (320 Ma); S=Silurien (420 Ma); Cb=Cambrien (530 Ma). Les âges absolus (entre parenthèses) correspondent au milieu de la période mentionnée.
Deux choses apparaissent anormales ici:
1) les trois trajectoires ne coïncident pas; il devrait pourtant n'y avoir qu'une seule trajectoire puisqu'il n'y a qu'un seul pôle nord magnétique terrestre.
2) plus on recule dans le temps, plus le pôle magnétique s'éloigne du pôle géographique.
On sait aujourd'hui que même si le pôle magnétique terrestre se déplace par rapport au pôle géographique, ce déplacement est minime; les trajectoires représentées ici sont donc beaucoup trop longues pour être réalistes.
Durant l'intervalle entre la découverte du paléomagnétisme et la formulation de la théorie de la tectonique des plaques, on a cru à cette hypothèse du "polar wandering".
Aujourd'hui, on comprend bien que la seule façon de résoudre ce problème de l'apparente promenade des pôles à travers les temps géologiques et de leur manque de concordance selon que les données viennent d'un continent ou l'autre est de déplacer les masses continentales les unes par rapport aux autres. C'est d'ailleurs ainsi qu'on parvient à reconstituer la position relative des continents pour chaque époque géologique. La théorie de Wegener refait surface!
Wegener avait supposé que la Pangée avait existé depuis l'origine de la terre et qu'elle n'avait commencé à se disloquer qu'autour des 200 Ma.
La dérive des continents étaient pour lui un phénomène irréversible:
morcellement d'un mégacontinent originel en parties de plus en plus petites.
Mais les paléomagnéticiens (certains disent les paléomagiciens!) ne se sont pas arrêtés aux derniers 200 Ma. Ils ont reculé jusqu'au début du Paléozoïque pour se rendre compte qu'il y a eu des dérives continentales plus anciennes, antérieures à 300 Ma. Mais, toutes ces reconstitutions laissèrent sceptique la communauté scientifique des années 50-début 60; de nombreuses objections seront soulevées. Le tout-puissant physicien Harold Jeffreys, adversaire irréductible de tout mobilisme, ira jusqu'à écrire que le marteau utilisé pour le prélèvement des échantillons est responsable de l'aimantation!
On sait aujourd'hui, grâce à la théorie de la tectonique des plaques, que les continents ont bougé tout au long de l'histoire géologique, et le paléomagnétisme est utilisé comme outil de base pour reconstituer la position des continents aux diverses époques géologiques
(voir section 4: Histoire de la Planète du site).http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/intro.pt/planete_terre.html
2 - Les Inversions du Magnétisme terrestre
En 1906, Brunhes découvre que non seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais aussi que certaines montrent des inversions du magnétisme; en d'autres termes, que le dipôle Nord-Sud aurait été à certaines époques Sud-Nord. A la même époque, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les temps géologiques. Les conclusions de Matuyama tombent dans l'indifférence et l'oubli pour une période de près de 50 ans, jusqu'à ce que les américains qui prenaient beaucoup leurs distances par rapport à l'application du paléomagnétisme aux dérives continentales se passionnent pour les inversions de polarité magnétique.
Le physicien américain J. Graham (1950) a été en quelque sorte l'étincelle dans le renouveau d'intérêt pour les inversions. Il avait émis l'idée que les inversions de polarité magnétique ne sont pas dues à une inversion du champ magnétique terrestre comme l'avait proposé Matuyama, mais à un phénomène bien connu en physique des solides, l'auto-inversion, qui interviendrait lors de la cristallisation de certains minéraux. Bien que fausse, cette proposition a eu le mérite d'avoir amorcé un débat qui remit à l'ordre du jour le paléomagnétisme.
En 1960, John Reynolds du département de physique de Berkeley (Californie) et John Verhoogen du département de géologie de la même université unissent leurs efforts pour étudier des basaltes: l'un met au point une méthode de datation isotopique permettant d'avoir des âges précis, l'autre s'applique à obtenir des mesures fiables d'orientation du paléomagnétisme sur les mêmes échantillons. Ils démontrent rapidement le bien-fondé des conclusions de Matuyama. Walter Elsasser de l'Université Princeton et Ted Bullard de Cambridge en Grande Bretagne développent l'idée d'une dynamo centrale située dans le noyau terrestre. Pour expliquer les retournements épisodiques du champ magnétique, ils conçoivent que cette dynamo pourrait présenter des comportements instables.
Finalement, la réalité des inversions du champ magnétique va être démontrée entre 1960 et 1966 par deux équipes issues de Berkeley: une équipe du USGS (United State Geological Survey) en Californie composée d'Alan Cox, Richard Doell et Brant Dalrymple, et une équipe de l'ANU (Australian National University) formée de Ian McDougall et François Chamalun. A partir de laves relativement récentes, ils construisent ensemble une échelle des inversions de la polarité magnétique pour les derniers 4 Ma, une échelle applicable aux U.S.A., à l'Europe, au Pacifique et à l'Australie, et qui a valeur mondiale.
Les schémas qui suivent expliquent comment on a utilisé les inversions du champ magnétique terrestre pour construire une échelle magnétostratigraphique.
La figure A montre comment on peut établir une échelle magnétostratigraphique locale à partir d'un empilement de coulées de laves, chacune bien datée. Les laves
enregistrent, au moment de leur cristallisation, le champ magnétique terrestre telle qu'il est à ce moment. Par exemple, supposons que la première coulée date de -4,1 Ma; elle a enregistré la polarité de l'époque, soit une polarité normale. La seconde coulée, datant de -3,4 Ma, une polarité inverse, et ainsi de suite. Avec le temps, il se construit un édifice stratifié, constitué de coulées de polarité, ou normale, ou inverse, et de plus en plus jeunes vers le sommet de la pile.
Plus on aura de points, plus notre échelle sera précise en ce qui concerne les âges géologiques où il y a eu inversion magnétique (par exemple ici, la précision est plus grande entre -0,8 et -0,9 Ma qu'entre -3,2 et -4,1 Ma) et la répartition temporelle des périodes normales par rapport aux périodes inverses. C'est en regroupant les données de plusieurs successions au monde (plusieurs échelles locales, obtenant ainsi une multitude de points) qu'on est parvenu à construire l'échelle des derniers 4 Ma (figure D).
Supposons que l'on fasse un forage carotté dans cet édifice; on datera une suite d'échantillons prélevés sur la carotte et pour chacun, on mesurera la polarité du paléomagnétisme (figure B). On reportera les données sur une échelle de temps géologique, en indiquant la polarité (figure C).
Ainsi, dans notre exemple, un échantillon ayant donné un âge de -4,1 Ma a indiqué une polarité normale (point rouge); un échantillon d'âge -3,4 Ma, une polarité inverse (point bleu), et ainsi de suite.
Durant cette période de temps, il y a eu plusieurs inversions
(indiquées par les changements de couleurs), mais on fait des regroupements
en époques et en événements. Il y a eu des époques où c'est la polarité
normale (en rouge) qui a dominé (Bruhnes, Gauss) et des époques où c'est la
polarité inverse (Matuyama, Gilbert). A noter que les époques ont été dédiées
aux grands pionniers de notre compréhension du magnétisme terrestre, alors
que les événements portent des noms de lieux.
Aurore Boréale
Les pôles de la terre sont parfois le théâtre de magnifiques apparitions
fantômatiques. Dites australes au sud et boréales au nord, les aurores polaires
sont les témoins de l’activité du soleil et de la protection de notre terre.
De la terre, le soleil nous donne l’apparence d’un astre paisible. Mais il n’en est rien, c’est une véritable fournaise en agitation constante. Il lui arrive d’expulser d’énormes quantités de matières, avec un pic tous les onze ans. Ces vents solaires sont du plasma chauffé à 1 million de degrés et sont éjectés à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde. Après 2 à 4 jours de voyage ces vents, particulièrement dangereux atteignent la terre.
Heureusement la nature a bien fait les choses puisqu’elle a doté notre planète d’une magnétosphère. Cette protection absorbe les particules chargées des vents ( protons, électrons). Lors d’éruptions trop violentes la magnétosphère est débordée et obligée de se décharger. Elle le fait brutalement, et ces particules suivent les lignes de champs magnétiques terrestres. Celles-ci vont donc se diriger vers les pôles (là où le champ est le plus faible) et entrer en contact avec les particules de l’atmosphère terrestre.
Les protons et les électrons libres des vents solaires vont exciter l’azote et l’oxygène de l’atmosphère. Ces atomes libèrent alors l’énergie en trop en émettant un rayon lumineux pour retrouver leur état initial. On parle le plus souvent d’aurores boréales car y a beaucoup plus de spectateurs au pôle nord qu’au pôle sud.
Une aurore polaire est un fabuleux spectacle. Mais c’est aussi le témoin lumineux des agressions que subit la terre. Mais les vents solaires ne sont pas agressifs uniquement à la surface de notre planète. Ainsi ils sont les principaux freins aux éventuels vols spatiaux habités et brouillent les satellites de communications quand ils sont trop violents.
Photo prise en Finlande
Ceintures de Van Allen. Représentation schématique des Ceintures de Van Allen autour de la Terre. Les nombres portés sur le graphe indiquent le nombre moyen de particules par mètre cube. Les distances (en rayons terrestres) sont mesurées à partir du centre de la Terre.
Les ceintures de Van Allen
Les ceintures de Van Allen sont deux régions en forme d'anneaux autour de la Terre, dans lesquelles existent des concentrations d'électrons et de protons à haute énergie capturés par le champ magnétique terrestre.
Elles ont été découvertes par le premier satellite terrestre américain artificiel, Explorer 1, lancé le 31 janvier 1958, et nommées ainsi d'après le physicien ayant mené l'expérience Explorer 1, James Van Allen.
La ceinture de Van Allen intérieure se trouve à environ 0,8 rayon terrestre au- dessus de l'équateur.
La ceinture extérieure est principalement concentrée entre 2 et 3 rayons terrestres environ au-dessus de l'équateur, mais une région plus large, s'étendant de la ceinture intérieure jusqu'à 10 rayons terrestres, contient des électrons et des protons moins énergétiques, provenant essentiellement du vent solaire.
Comme le champ magnétique terrestre est décalé par rapport à l'axe de rotation de la planète, la ceinture intérieure se rapproche de la surface terrestre dans la région de l'océan Atlantique sud, au large de la côte brésilienne.
Cette anomalie de l'Atlantique sud présente un risque potentiel pour le fonctionnement des satellites artificiels. En 1993, il a été prouvé que des particules provenant de l'espace interstellaire étaient contenues dans une région située dans la ceinture de Van Allen intérieure.
