Camp magnetic terrèstre

Variacion modelizada del camp magnetic terrèstre fàcia a una tempèsta de « vent solar ».

Camp magnetic terrèstre mesurat en junh de 2014 per la sonda Swarm (ESA/DTU Space).

Lo camp magnetic terrèstre, tanben nomenat bloquièr terrèstre, es un camp magnetic present dins un vast espaci a l’entorn de la Tèrra (de biais non unifòrme a causa de son interaccion amb lo vent solar) e tenben de l’escòrça e lo mantèl. Trapa son origina dins lo nuclèu extèrne, per un mecanisme de dinamo autoexcitada.

Edat e origina

Segon los estudis de John Tarduno de l'universitat de Rochester (EUA), la Tèrra aviá ja un camp magnetic fa 3,45 milliards d'annadas,. A aquesta epòca l'intensitat del camp èra de 50 a 70 % de sa valor actuala. Mas a partir de 3,2 Ga lo camp terrèstre èra tant intens qu'uèi,.

Lo camp magnetic terrèstre es engendrat pels movements de conveccion del nuclèu extèrne de nòstra planèta, constituit de metal liquid (subretot Fe e Ni). Aqueste nuclèu extèrne fonciona coma una dinamo autoexcitada (o autoentretenguda), es a dire que lo camp magnetic es a l’origina dels corrents electrics que d’espereles provòcan lo camp (imbricacion de l'induccion electromagnetica e de la lei de Biot e Savart). La conveccion es plan segur solutala (a causa dels gradients de concentracion) puslèu que termica (deguda a de gradients de temperatura), e d’en primièr ligadas a la creissença del nuclèu intèrne: lo fèrre-niquèl solid essent mens ric en elements dissolguts que lo liquid, la cristallizacion d’aqueste liquid enriquís la basa del nucèu extèrne en elements dissolguts; aquestes essent mai leugièrs que Fe e Ni, lo liquid metallic prigond tend a tornar pujar jos l'efièch del principi d'Arquimèdes>.

Lo nuclèu intèrne es pasmens tròp jove per que lo mecanisme çai dessús aja podut foncionar fa mai de 1,5 Ga. Un autre procediment de conveccion solutala auriá alara estat l'exsolucion d'oxid de magnèsi MgO, degut a refregiment progressiu del nuclèu (alors entièrament liquid). MgO es en efièch soluble dins lo fèrre liquid de fòrça nauta temperatura. Una quantitat importanta de MgO a podut èsser dissolguda dins lo nuclèu pendent l'accrecion de la Tèrra, e subretot a l’escasença del gigantèsc impacte a l'origina de la Luna.

Descripcion

Lo camp magnetic terrèstre se pòt veire coma aquete d'un asimant drech.

Lo camp magnetic terrèstre pòt se compârar, de primièra aproximacion, a aqueste d'un asimant drech (o d'un dipòl magnetic, o d'una bobina plana parcorreguda per un corrent electric), de moment magnetic. 7,7 A⋅m² en 2000. Lo punt central d’aqueste asimant es pas exactament al centre de la Tèrra, se trapa un centenat de quilomètres del centre geometric. Aquesta aproximacion deu pas far obliar que lo camp a de compausantas multipolaras que l'intensitat, pasmens se plan mai feble que la compausanta dipolara, es pas negligibla, per exemple pendent una inversion del camp magnetic terrèstre que vei l'aflaquiment de l'intensitat del dipòl tanplan a que las compausantas non dipolaras vengan predominantas.

La teoria del potencial descrich, a partir de l'equacion de Laplace, qu'aqueste asimant drech se superpausan en segond òrdre un quadrupòl, al tresen òrdre un octopòl, etc., fins a l'infinit. Aquesta decomposicion dicha en armonicas esfericas admet de coeficients que ponderan l'importança a atribuir a cada asimant. Lo primièr a aver mesurat lor valor es Gauss a partir d'un malhum d'observatòris magnetics destriats a l’entorn de la Tèrra, puèi de ne tirar d’estudis estatisticas.

D'autras planètas del sistèma solar tenon un camp magnetic: Mercuri, Saturne, Uranus, Neptun e subretot Jupitèr. Ne ten tanben lo quita Solelh.

Quitament se los asimants ajan estat coneguts dempuèi l'Antiquitat, son lo Chineses que, vèrs l'an 1000-1100 los utilizèron per s'orientar amb la bossòla. La relacion entre los asimants e lo camp magnetic terrèstre foguèt descobèrta en 1600, per William Gilbert, un fisician anglés e mètge de la reina Elisabèt I que publica en 1600 de Magno Magnete Tellure (Del Grand Asimant de la Tèrra). Aquesta teoria es la primièra al subjècte de las caracteristicas globalas de la Tèrra, abans la gravitacion d'Isaac Newton. Mostrèt cossíuna bossòla plaçada a la superfícia d'une bola magnetizada (la « Terrella ») indica sempre lo mèsme punt, coma lo fa sus la Tèrra.

Nocion de pòl

Lo dipòl terrèstre.

L'ensemble de las linhas de camp magnetic de la Tèrra situadas al dessús de l'ionosfèra, siá a mai de 1 000 km, es nomenat magnetosfèra. L'influéncia del camp magnetic terrèstre se fa sentir find a desenas de milierats de quilomètres.

Lo pòl Nòrd magnetic terrèstre es de fach un pòl de magnetisme « sud ». S'agís d'una pura convencion, duguda a la causida de nomenar « nòrd » la punta de l’agulha de la bossòla que punta aqueste pòl magnetic, qu’es pròche del pòl Nòrd geografic.

L'axe geomagnetic, passant pels dos pòls geomagnetics, fa un angle de 11,5° al respècte de l'axe de rotacion de la Tèrra. Una mesura d'abril de 2007 pel projècte « Poly-Arctique » situèt lo pòl Nòrd magnetic (Nm) a una latitud de 83,95 °N e una longitud de 121,02 °O (83° 57′ 00″ N, 121° 01′ 12″ O). Es a dire situat a 673 km del pòl Nòrd geografic (Ng) e avent alara una velocitat mejana de desplaçament de 55 km/an (o una mejana d’unes 150 m/j o 6 m/h). Al’estiu de 2010, foguèt estimat qu'èra sonque a 550 km del pòl Nòrd geografic. Mai la posicion del pòl magnetic varia pendent la jornada, se desplaçant atal d’unes desenats de quilomètres a l’entorn de sa posicion mejana.

Lo pòl Sud magnetic se trapa el al larg de la Tèrra Adelia, dins la mar d'Urville, a 65 °S e 138 °E.

Posicion dels pòls magnetics

Pòl Nòrd magnetic	(2001) 81° 18′ N, 110° 48′ O	(2004) 82° 18′ N, 113° 24′ O	(2005) 82° 42′ N, 114° 24′ O	(2010) 85° 00′ N, 132° 36′ O
Pòl Sud magnetic	(1998) 64° 00′ S, 138° 30′ E	(2004) 63° 30′ S, 138° 00′ E	(2005)63° 06′ S, 137° 30′ E	(2010) 64° 24′ S, 137° 18′ E

Proprietats del camp magnetic

En un punt donat del camp magnetic terrèstre, lo vector camp magnetic pòt se destriar en una compausanta verticala B_v (dirigida segon la verticala locala, en gròs cap al centre de la Tèrra) e una compausanta orizontala B₀. Als pòls magnetics, la compausanta orizontala a una valor nula. L'angle format per B e B₀ es nomenat « inclinason ». Aumenta donc a l’apròcha dels pòls, tendent cap a 90°.

Lo vent solar es responsable de variacions del camp mesurat, pels corrents electrics que provòca dins l'ionosfèra e la magnftosfèra. Segon l'activitat solaire, los auratges magnetics pòdon perturbar lo camp magnetic terrèstre fasent variar l'intensitat de la compausanta orizontala B₀. Mai, los vents solars desforman las linhas del camp magnetic terrèstre. Costat jorn, son aplanidas cap a la Tèrra, e dels costat nèch, s’escartan sus un desenat de rais terrèstres.

La valor de l'induccion magnetica es exprimida en teslas (nom de l'unitat dins lo Sistèma Internacional d'unitats), en onor a Nikola Tesla. Ara, es de l'òrdre de 47 μT al centre de la França.

L’arqueomagnetisme, fondat sus l'estudi dels ressons de camp magnetic fixats dis los objèctes arqueologics (bricas, ceramicas, etc.), e lo paleomagnetisme, fondat puslèu sus las ròcas, permeton de comprene l'evolucion del geomagnetisme amb lo temps; marcant las inversions de polaritat magneticas dins las edats, per exemple.

Mesura del camp magnetic terrèstre

Metòdes de las Periòdes

Per doas bobinas de Helmholtz identicas separadas d'una distància egala a lor rai, lo camp creat al mitan d’ambedoas bobina se pòt considerar coma unifòrme (las doas bobinas son percorregudas pel mèsme corrent). Plaçant aquestas bobinas de tal biais que lo camp qu’iduson siá alunhat amb lo camp magnetic terrèstre, lo camp total resultant entre las bobinas es donc:

${\overrightarrow {B_{1}}}={\overrightarrow {B_{t}}}+{\overrightarrow {B_{i}}}$.

Una agulha asimantada (bossòla) plaçada en R/2 s’alinha amb aqueste camp resultant. Escartada de sa posicion d’equilibri, oscilla a un periòde:

$T_{1}=2\pi \left[{\frac {J}{\mu (B_{t}+B_{i})}}\right]^{1/2}$

ont μ designa lo moment magnetic de l’asimant e J son moment d’inercia.

quand s’invèrsa lo sens del corrent dins las bobinas, lo camp induch cambia de sens (conservacion del cap colinear al camp terrèstre). Vigilantque lo camp induch per la bobina siá inferior al camp magnetic terrèstre (Cal pas que lo cambiament del sens del corrent induga un cambiament de sens de l'agulha), l’agulha oscilla alara de periòde:

$T_{2}=2\pi \left[{\frac {J}{\mu (B_{t}-B_{i})}}\right]^{1/2}$.

A partir d’aquestas doas periòdas s’obten:

$B_{t}=B_{i}{\frac {(T_{1}^{2}+T_{2}^{2})}{(T_{2}^{2}-T_{1}^{2})}}$.

Atal, se considèra de bobinas de rai R, compausadas de N espiras e percorreguda per un corrent d’intensitat I, mesurant T₁ ee T₂ se’n deduch lo camp magnetic terrèstre:

$B_{t}=(4/5)^{3/2}{\frac {NI\mu _{0}}{R}}{\frac {(T_{1}^{2}+T_{2}^{2})}{(T_{2}^{2}-T_{1}^{2})}}$.

Metòde de las Tangentas

Las bobinas de Helmholtz son aqueste còp plaçadas de tal biais que lo camp qu’induson siá ortogonal al camp magnetic terrèstre.

L’agulha asimantada, somesa a l’accion de dos camps, s’orienta seguent lor resultanta. Lo camp resultant qu’es somés la bossòla es egal a la soma del camp terrèstre e del camp induch e es alinhat dins lo cap α tal que:

$B_{i}=B_{t}\tan \left({\frac {\pi }{2}}-\alpha \right)$.

Una mesura de l’angle α permet d’obténer la valor del camp magnetic:

$B_{t}=(4/5)^{3/2}{\frac {NI\mu _{0}}{R}}{\frac {1}{{\frac {\pi }{2}}-\alpha }}$.

Aplicacions

La bossòla

L'agulha d'una bossòla perfiècha (non perturbada per un camp parasit), s'orienta seguent la compausanata parelella al quadrant (normalament posicionat orizontalament), demorant tangenta a la linha de camp del luòc ont se trapa. La bossòla indica lo cap del Pòl Nòrd magnetic (e non pas aqueste del Pòl Nòrd geografic); la diferéncia angulara relativa se nomena la declinason magnetica, que la valor depend del luòc que se trapa.

La bossòla utilizada en navigacion, nomenada compàs, mai sovent indica pas lo Nòrd magnetic, mas lo Nòrd compàs, cap que cal encora ne far una correccion (nomenada lo desviament del compàs), per tornar trobar lo cap del Nòrd magnetic.

La declinason magnetica d'un luòc es donada sus las mapas detalhadas (1/50 000 o 1/25 000) de la region. Sus las mapas marinas e aeronauticas es tanben provesida d’una estimacion de sa variacion annala (per exemple diminucion de 6' per an). Per unas aplicacions modèrnas (aviacion...), s’utiliza puslèu un magnetomètre, que mesura las tres compausantas del vector camp magnetic.

Lo paleomagnetisme

Se destria l’arqueomagnetisme, fondat sus l'estudi dels ressons de camp magnetic fixats dins los objèctes arqueologics (bricas, ceramicas, etc.), del paleomagnetisme fondat sus l'analisi de las variacions del camp magnetic registrat per las ròcas. Pendent la solidificacion « rapida » d'un material (cuècha d'una terralha, erupcion volcanica...), lps dipòls magnetics que contenon se calhan, donant atal un instantanèu del cap de camp magnetic terrèstre. Las òbras de Xavier Le Pichon dins las annadas 1970, permetèron de mostrar lo fenomèn de deriva dels continents, a partir de l'estudi de la variacion del camp magnetic terrèstre enregistrada al nivèl de las dorsalas medioatlanticas. Se pòt alara descobrir que lo camp magnetic terrèstre tenguèt multiplas inversions de polaritat pendent de milions d'annadas.

L'exploracion minièra

La prospeccion minièra constituís un dels grands domènis d'aplicacion de l'estudi del geomagnetisme. Diferentas ròcas possidissent diferentas asimantacions, la valor de l'intensitat del camp magnetic terrèstre se’n trapa modificada. Ven alara possible d'obténer una mapa de las estructuras en prigondor, segon las variacions d'asimantacion de las ròcas.

Un bloquièr protector per la vida

Lo camp magnetic terrèstre jòga un ròtle essencial dins lo desvolopament de la vida sus Tèrra, desviant las particulas mortalas del vent solar formant atal las auroras borealas e australas. Los scientifics observan una diminucion del camp magnetic terrèstre, l'anomalia magnetica de l'Atlantic sud essent lo signe mai espectacular.

Lo nuclèu extèrne (liquid) que genèra lo camp magnetic terrèstre global, se refregís pro lentament. Lo nuclèu intèrne (solid) grossís per la solidificacion del metal liquid del nuclèu extèrne en contacte amb lo nuclèu intèrne. S’estima que lo nuclèu extèrne serà (gaireben) entièrament solidificat dins unes milerats d'annadas, e qu'en consequéncia lo camp magnetic global aurà alara desaparegut.

La Tèrra presentarà alara de condicions comparablas a aquestas que presentan la Vènus d’ara, sens camp magnetic global.

Un dels mejans de guidatge d'animals migrators

Fòrça animals grands migrators terrèstres (ex. : ausèls) o aquatics (ex. : tartugas marinas) semblan dotadas d'una percepcion prima del camp magnetic terrèstre (magnetoreceptcion), quitament se d'autres sens intervenon pendent de migracions. Per exemple las tas tartugas caretas son sensiblas a la latitud en segon lo camp magnetic terrèstre e de son inclinason. Atal de fòrça jovas tartugas d’aquesta espècia plaçadas, pauc après lor espelida, en bacin reprodusent de condicions de camp magnetic d’autras regions (Puerto Rico e Cap Verd, situits sus lor rota migratòria abituala a la mèsma latitud (20°N), mas a de longituds diferentas) son lèu orientadas cap ont anarián dins aqueste mitan (respectivament cap al NE e lo SE).

Inversion del camp magnetic terrèstre

L'inversion del camp magnetic terrèstre es un fenomèn recurrent dins l'istòria geologica terrèstra, lo pòl nòrd magnetic se desplaça cap al pòl sud geografic, e inversament. Aqueste resulta d’una perturbacion de l’estabilitat del nuclèu de la Tèrra. Lo camp magnetic s’enfolís alara pendent una corta periòde (de 1000 a 10 000 ans) pendent que los pòls magnetics se desplaçan lèu sus tota la superfícia del glòbe, o desapareisson, segon las teorias.

Pendent aquesta transicion, l'intensitat del camp magnetic es fòrça feble e la superfícia de la planèta pòt èsser expausada al vent solar, possiblament dangierós pels organismes vivents. Se se produiriá uèi, fòrça tecnologias utilizant lo camp magnetic poirián tanben èsser tocadas.

A la fin d’aquesta periòde de transicion, o los pòls magnetics tornan a lors posicions precedentas, s'agís alara sonque alors seulement d'una passejada geomagnetica, o permutan e se dich inversion.

Lo camp terrèstre capvirèt unes 300 còps aquestes 200 milions d'annadas. La darrièra se passèt fa 780 000 ans e la darrièra passejada fa 33 000 ans, se sap pas quand se debanarà la seguenta.

Vejatz tanben

Articles connèxes

• Esructura intèrna de la Tèrra
• Magnetosfèra
• Auratge magnetic
• Pòl Nòrd
• Declinason magnetica terrèstra
• Dinamo terrèstra
• Inversion del camp magnetic de la Tèrra
• Ressons de Schumann

Bibliografia

• Pierre-Noël Mayaud, « Guillaume Le Nautonier, un précurseur dans l'histoire du géomagnétisme », Revue d'histoire des sciences, 2004, volume 57, numéro 57-1, p. 161-173 [lire en ligne]

Filmografia

• Magnétisme terrestre, passé, présent, futur, film documentaire réalisé par Yves Michaud (Gauthier Hulot, conseiller scientifique), Association « L'Université de tous les savoirs – la suite », Paris ; CERIMES, Vanves, 2009, 82 min (DVD) (conférence du samedi 10 janvier 2009)

Ligams extèrnes

• École et Observatoire des Sciences de la Terre
• Musée de Sismologie et Magnétisme Terrestre: des collections d'instruments, des vidéos et des dossiers pour comprendre [1]
• Commission géologique du Canada - Géomagnétisme
• Conférence expérimentale Origine du champ magnétique terrestre par l'IPG de Paris à l'espace PGG de l'ESPCI ParisTech
• Introduction à la physique du globe, par Louis Cagniard, École nationale supérieure du pétrole et des moteurs (France)
• INTERMAGNET: réseau global d'observatoires magnétiques, transmettant leurs données en temps quasi-réel
• PDF Edmond Hoge, « Le géomagnétisme en Belgique », Académie royale de Belgique, 1957 (pages 17 ss.)