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La boussole

axe géographique

axe magnétique

axe géographique

= axe de rotation de la Terre

axe magnétique

direction du pôle

nouvelle direction du pôle

Afrique

Amérique du Sud

Magma

ride médio-océanique

Atlantique Sud

Le principe de la boussole est connu des Chinois depuis longtemps puisqu'ils étaient capables de reconnaître la direction du sud à l'aide d'une aiguille aimantée sous la dynastie des Tsin (265-419). C'est avec les premières croisades que les Européens la découvrent chez les Arabes. La première mention de l'utilisation de la boussole en Europe remonte à l'an 1200. Ce n'était au début qu'un simple fétu de paille renfermant une aiguille aimantée et posé sur l'eau d'une cuvette. Pierre de Maricourt perfectionne la boussole en 1269: il  monte l'aiguille sur pivot et l'enferme dans une boîte fermée par un couvercle transparent bordé d'un cadre gradué.

L'utilisation de la boussole a considérablement transformé les techniques de navigation. Autrefois les navigateurs pratiquaient surtout le cabotage: ils  ne quittaient pas volontiers la côte des yeux. Loin des côtes il n'y avait plus de point de repère.

La position d'un navire est à l'intersection de la latitude (déduite de la position des astres au-dessus de l'horizon) et de la longitude (connue par l'utilisation de la boussole).

La direction prise par la boussole d'un navire dépend aussi des masses magnétiques qu'on trouve à bord. C'est pour cela qu'un bateau totalement amagnétique fut construit dans le but de dresser une carte du magnétisme terrestre: toutes les pièces métalliques du "Carnegie" qui sillonna les mers du globe de 1909 à 1929 étaient en cuivre ou en bronze.

Le champ magnétique terrestre

Nous avons vu que la poudre de fer forme autour d'un aimant des lignes qui relient le pôle nord au pôle sud. On les appelle lignes de champ magnétique.

On appelle géomagnétisme le magnétisme terrestre.

On peut se représenter de façon simpliste la Terre abritant un gigantesque aimant qui produirait le magnétisme terrestre.

Pourquoi cette petite boussole ne montre-t-elle pas le nord?

Nous verrons après que c’est un peu plus compliqué.

La déclinaison magnétique

Lorsqu’on veut s’orienter avec une boussole, il y a un problème: l'axe de rotation de la Terre (axe nord-sud géographique) ne correspond pas à l'axe de l'aimant terrestre! Les boussoles ne montrent donc pas exactement le nord de la carte de géographie!!!

On appelle déclinaison magnétique, l’angle entre la direction du nord montré par la boussole et la direction du «vrai» nord géographique

«Le champ magnétique terrestre»_durée 4’

Dans ce film on apprend que le pôle nord magnétique a été localisé la première fois en 1831 par James Clark Ross. Depuis cette date le pôle s’est beaucoup déplacé. Le film explique l’origine du champ magnétique, les aurores polaires, le rôle protecteur du bouclier magnétique.

Lors d’une inversion magnétique, l’intensité du champ décroît. Le champ cesse d’être dipolaire: il y a plusieurs pôles magnétiques nord et sud en même temps. Après un ballet compliqué le champ dipolaire est reconstitué “à l’envers”

Origine du géomagnétisme

La Terre tourne sur elle-même comme une toupie. La partie liquide du noyau terrestre bouge aussi et forme des remous et des courants. Ce liquide est composé en grande partie de métaux comme le fer et le nickel qui sont à la fois conducteurs d'électricité et magnétiques. Ce serait le courant électrique créé par ces métaux en fusion qui engendrerait le champ magnétique terrestre (comme dans une dynamo).

Le pôle magnétique se trouve à plusieurs centaines de kilomètres du pôle géographique et il se déplace à une vitesse moyenne de 6 m par heure. La Terre a même connu des inversions spectaculaires du champ magnétique dans son histoire.

Comment le savons-nous?

Le fond des océans est constitué de basalte, une roche magmatique. Elle se forme continuellement le long d’une gigantesque chaîne sous-marine: la ride médio-océanique.

Animation: United States Geological Survey

Dans l’océan Atlantique sud par exemple, la roche formée dans la ride éloigne toujours davantage l’Afrique de l’Amérique. Sur cette animation, on voit le supercontinent “Pangée” se disloquer dès le Trias (- 200 millions d’années). La séparation de l’Afrique et de l’Amérique commence au Jurassique (-160 millions d’années).

Animation: United States Geological Survey

Lorsque le magma (roche liquide très chaude) monte et arrive à la surface de la Terre, il se refroidit: les atomes s'assemblent pour former des cristaux. Le magma se fige et devient une roche magmatique solide. 

Les minéraux magnétiques ont eu le temps de s'orienter en fonction du champ magnétique terrestre et conservent cette orientation

Quelques millions d’années plus tard, les pôles magnétiques se sont déplacés. Les minéraux magnétiques s'orientent selon le champ magnétique actuel.

Il suffit de mesurer l'orientation des minéraux magnétiques d'une roche pour connaître la direction des pôles magnétiques à l'époque de la formation de cette roche. Même si elle s'est refroidie il y a plusieurs millions d'années: elle a gardé la mémoire du champ magnétique passé.

Cartographie de l’intensité du champ magnétique terrestre.

Cette carte représente l’intensité du champ magnétique mesuré en juin 2014 par la sonde Swarm (ESA/DTU Space). On considère que 95% du champ est produit par les mouvements de convection du noyau externe liquide. Le reste est produit par les roches du manteau.

Les aurores polaires

Aurore australe_NASA, image satellite

«Aurores boréales», durée 2’42’’

Un film sans paroles de Tor Even Mathisen nous montre des vues d’aurores boréales dans le ciel de Tromsø en Norvège (2010).

Le champ magnétique terrestre face à une tempête de « vent solaire »

Simulation du champ magnétique terrestre déformé par le «vent solaire».

Animation Dr. Nikolai Tsyganenko, USRA/NASA/GSFC

«Des satellites explorent le champ magnétique terrestre», durée 12’

Ce film de l’European Space Agency (ESA) rappelle les conditions de formation du champ magnétique terrestre. Visite d’un laboratoire de mesure du champ magnétique. Etude des variations d’intensité du champ suite à des éruptions solaires. Etude de l’intensité et de la direction du champ à l’aide de magnétomètres embarqués à bord de satellites (satellite Ørsted 1999).

Magnétisme solaire

La mission SDO (Solar Dynamic Observatory) suit depuis 2010 l’activité du Soleil. Elle étudie les variations de son champ magnétique au cours des cycles solaires de 11 ans. Des photos réalisées avec des rayonnements de diverses longueurs d’onde permettent de “voir” le champ magnétique solaire.

Images: NASA_SDO_Goddard

«Thermonuclear Art», un film de la NASA.

«Le champ magnétique solaire», simulation de la NASA_Futura .

«Dynamique du noyau et magnétisme terrestre»

Belle conférence (mais trop compliquée pour un enfant) de Gauthier Hulot,

directeur de recherche CNRS à  l'Institut de Physique du Globe de Paris.

Selon une légende, la boussole aurait été inventée par le marin Flavio Gioja vers 1300. On sait maintenant que c’est un mythe.

Une statue dans le port d’Amalfi, au sud de Naples, le représente avec une boussole à la main.

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Les zones rouges représentent une forte intensité du champ magnétique dans les régions polaires.

Les zones bleues représentent un champ magnétique plus faible.

anomalie magnétique

de l’Atlantique sud

Aurore boréale_Base de l’US Air Force d’Eielson (Alaska)

bouclier magnétique

Une aurore polaire est un phénomène lumineux qu’on peut voir au pôle nord (aurore boréale) et au pôle sud (aurore australe). Il est produit par le «vent solaire», un bombardement de particules chargées provenant du Soleil. Ces particules sont guidées par les lignes de champ magnétique terrestre et terminent leur course aux 2 pôles.

L’aurore australe ci-dessous a été photographiée depuis la navette spatiale Discovery en mai 1991. On voit bien les traces laissées par les collisions des particules solaires dans l’atmosphère terrestre.

Le champ magnétique terrestre est déformé par le vent solaire

La lumière est produite par la collision des particules solaires avec les atomes et les molécules qui constituent l’atmosphère terrestre.

Le même phénomène permet de produire de la lumière dans un tube fluorescent en envoyant des électrons dans un tube contenant un gaz.

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