Champ Magnétique Terrestre

Champ Magnétique
Terrestre
Qu'est ce que le champ magnétique ?
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Le champ électrique crée par une charge est :
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Le champ magnétique crée par un courant electrique
est
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=> le champ magnétique dépend de la I, donc de la
vitesse des charges donc du référentiel
Force de Lorentz
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La force magnétique est perpendiculaire
au vecteur vitesse
=> Elle ne fait que devier la trajectoire
=> Elle ne transmet pas d'energie
cinétique
Le CMT est à 90% dipolaire
Lors d'une éruption solaire ou d'une
éjection de masse coronale (CME), des
protons et des électrons sont émis par les
couches externes du Soleil et atteignent
la Terre environ 2 jours plus tard.
Ces éjections riches en particules et en
plasma (gaz ionisé électriquement neutre)
peuvent contenir plus de 10 milliards de
tonnes de matière. Elles voyagent à près
de 1000 km/s et se libèrent de l'attraction
gravitationnelle du Soleil. Elles sont alors
poussées par le vent solaire (Flux de
protons et d'électrons voyageant à grande
vitesse et créé par le Soleil) et se
rapprochent de la Terre et de son champ
magnétique.
Lorsqu'elle pénètrent dans l'ionosphère
(Couche supérieure de l'atmosphère
constituée d'un gaz ionisé (plasma)), ces
particules communiquent leur énergie aux
atomes et aux ions ce qui augmente leur
degré d'ionisation.
Les électrons de ces atomes retrouvent
leurs énergies initiales (niveaux
fondamentaux) en émettant de la lumière
(sous la forme de photons). C'est ce
rayonnement que nous voyons lors des
aurores polaires.
D'ou provient le CMT ?
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Le CMT décroit avec l'altitude
●
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=> Il ne provient pas du soleil ou de
l'exterieur
=> il ne peut venir que de l'interieur de la
Terre
Ou peut-on générer le CM ?
 Le CM est crée par des
courants électriques.
Le noyau est constitué
essentiellement de Fe et de Nickel
=> il est conducteur.
Le noyau externe étant liquide,
c'est probablement lui qui génère
le CM
Composition noyau
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Noyau externe : 80% fer + S, Ni, O, Si
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Graine solide : 100% fer, Nickel
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Température d'environ 4000-5500 degrés
permettant de maintenir le noyau externe
liquide, malgré les fortes pressions qui y
règnent (200 Gpa).
Rappel: l'importance du moteur de
la convection
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Click to add an outline
Le noyau convecte t-il ?
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Il y'a peut-etre des éléments
radioactifs
Le noyau est probablement
refroidi par au-dessus (CMB)
La solidification du Fer sur la
graine produit:
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●
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De la chaleur
(exothermique)
Libère des éléments légers
qui vont subir une poussée
d'archimède
=> Ra ~ 10^25
Force s'éxerçant sur une
particule fluide dans le NE
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Contrairement au manteau, pour le noyau
la force de Coriolis va jouer un role
déterminant, car les mouvements sont
rapides (10 km.an-1 vs cm.an-1)
A l'inverse la viscosité est peu importante
(écoulement fluide)
Impact de la force de Coriolis
sur l'écoulement
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Dans un reférentiel galiléen, en l'absence de force, le
vecteur vitesse ne change pas la trajectoire est une
droite
Vu depuis un référentiel en rotation la trajectoire est
courbe:
Experience JPL
La force de Coriolis courbe
les trajectoires
Ainsi la force de coriolis tend à structurer
l'écoulement en spiral
Convection dans le noyau est en
spirale
●
●
La viscosité du
noyau est la meme
que l'eau.
La convection est
dominée par la
force de Coriolis
Joseph Larmor propose en 1919 que le CMT
est généré par un effet dynamo
Le
champ magnétique existe depuis 3.5Ga
Le champ magnétique existe depuis 3.5Ga
Le
champ
magnétique
est généré
effetautoentretenue
dynamo
Le champ
magnétique
est généré
par effetpar
dynamo
autoentretenue
Le mouvement circulaire des charges crée un CM vertical :
Le CM agit à son tour selon
et induit ainsi un
mouvement circulaire des charges
Il n'y pas de mouvement auto-entretenu car le CM ne
transmet pas d'énergie aux charges.
Convection dans le noyau est en
spirale
●
●
La viscosité du
noyau est la meme
que l'eau.
La convection est
dominée par la
force de Coriolis
●
●
La force de coriolis et l'effet dynamo ne
font que courber les trajectoires. Elles ne
mettent pas le fluide en mouvement.
Le mouvement est crée par :
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1) Désintégration d'éléments radioactifs ?
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2) Cristallisation de la graine (exothermique)
=> poussée d'archimède
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3) Refroidissement au niveau de la CMB
=> panache froid
Bilan
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Moteur du mouvement = Cristallisation
de la graine + radioactivité +
refroidissement CMB
Coriolis + Force Lorentz structurent
l'écoulement en spirale
Toutefois Ra élevé => Rend l'écoulement
chaotique
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=> Le mécanisme précis de l'effet dynamo
pour la Terre est encore inconnu.
Les dynamos analogiques
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Afin de comprendre ce qui se passe dans
le noyau, on peut essayer de le
reproduire en laboratoire.
Expérience VKS (Cadarache)
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Sodium liquide est
cisaillé dans un
cylindre
DTS (Grenoble)
modifier les styles du texte du masque
u
u
u
eau
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Le sodium liquide est cisaillé entre deux sphères tournant
à des vitesses différentes. Pas d'effet dynamo obervé
pour le moment.
Les dynamos numériques
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Le temps de calcul nécessaire pour
simuler une dynamo réaliste est trop
important
=> On ne simule que des dynamos avec
une Terre faisant un tour sur elle même
en 1 million d'année
=> La force de Coriolis est sous-estimée
Pourtant ....
Modèle numérique Mesure réelle
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Bien que les paramètres de la simulation ne soient pas
réalistes, on retrouve un champ analogue à celui de la
Terre. Est-ce un hasard?
L' inversion du champ magnétique est
spontanée
Retour à la réalité : mesure
CMT
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Observatoires permanents
Mesures ponctuelles lors de campagnes
temporaires à terre ou en mer.
Mesures par satellites.
Pôle
magnétique
Ligne de champ
magnétique
I
λ
Pôle
magnétique
Le champ étant ~ dipolaire on a la relation:
●
Mesure des aimantations : 1satellite
Mesures aimantations 2 Avion
Evolution du CMT au
cours du temps
Le C.M.T actuel évolue
continuellement dans le temps
sur des constantes de temps
Très différentes
seconde, heure, jour, année,…)
Document D. Gibert
Magnétisme et aimantation
des roches
à la découverte du passé de
la Terre
Le diamagnétisme
Le corps prend une aimantation en sens inverse du champ appliqué (χ < 0). Cette
aimantation est très faible. L'eau, l'air, la silice, la calcite,…. Elle disparaît
lorsque le champ est interrompu (absence de rémanence).
Le paramagnétisme
Le corps acquiert une aimantation faible dans le sens du champ appliqué. Pas de
rémanence (calcium, oxydes de Nickel).
Ferromagnétisme
L'aimantation du corps est forte et se caractérise par un phénomène de
rémanence. Ces corps ont donc la capacité d'enregistrer l'histoire magnétique.
Ceci dépend fortement de la température.
L'aimantation rémanente
diétritique
●
●
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Les particules sédimentaires s'alignent en fonction
du CMT
Mesure continue du CMT dans les sédiments.
On ne voit que les variations d'intensité du CMT,
pas leur niveau absolu
Particule sédimentaire
Magnétique issue de l ’érosion
Direction CMT
Les différents types d'aimantation:
1-Thermorémanence
●
●
●
Dans les roches volcaniques et
métamorphiques
Quand une coulée de lave se répand en
surface, elle se refroidit et solidifie
Elle enregistre alors le CMT (direction et
intensité) au moment ou są température
passe en dessous de Tc
Température de Curie
M
Minéraux
Tc
Magnétite
580
Hématite
670
Goetite
150
T°
Température
De Curie
●
Température asthénosphère > 1300
K=>??
●
Ainsi les coulées de laves successives
donneront une image de l'évolution du
CMT.
●
L'enregistrement du CMT est discontinu (il
n'y a pas d'éruption tous les jours!
Que se passe t-il au niveau des
dorsales?
L'échelle magnétostratigraphique
On peut ainsi dater la croute
océanique
Que se passe t-il lors d'une
inversion du champ magnétique ?
Enregistrement par des laves à Steens Mountain (Oregon,
USA)
Temps mis pour passer du stade inverse au stade normal :
15000ans
Age du changement : 19Ma
Bilan sur les inversions
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L'inversion du champ se fait sur ~5000
ans
Pendant l'inversion l'intensité du CM =
10% de son intensité normale => quelle
conséquence pour la vie ?
Les inversions se produisent en moyenne
tous les 200 000 ans, mais cela n'est pas
régulier
On ignore pourquoi le champ s'inverse.
Les inversions permettent de dater les
roches, montrer l'expansion
océanique
Sur Mars le CM à disparu !
●
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Les roches anciennes ont enregistré un CM
Il n'y a pas de CM dans un grand nombre de
cratères => le CM s'est éteint rapidement
Mesure plus détaillée de
l'évolution du CMT
●
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Les inversions du CMT nous ont permis de
dater la croûte océanique et ainsi de
mettre en evidence są
fabrication/destruction
On souhaite à présent regarder plus en
détail l'evolution du CMT pour mettre en
évidence d'autres aspects de la
tectonique des plaques.
Variation du CMT
1) Les marins savent depuis le début du 17e siècle que le CMT varie et que l'angle entre les nords géographique et magnétique (la déclinaison magnétique) se modifie au cours de temps.
2) La variation du champ magnétique est due aux variations des vitesses de convection dans le noyau externe.
3) Les équations de l'électromagnétisme (équations de Maxwell) : vitesse à la surface du noyau ~ 10 Km. an­1 = 10000x vitesse du manteau.
Les mesures dans les observatoires
confirment ces observations
●
●
Les mesures des observatoires de
Londres (1575), Paris (1600), Rome
(1800) montrent que le CMT varie au
cours du temps :
A Paris l'inclinaison est passée de 75 à 65
degré, la déclinaison de 10E à 25W
(1800) à 10W (maintenant).
Mouvements récents du pôle nord
magnétique
Trajectoire du paléo-pôle magnétique
pour l'Europe, l'Amérique et l'Inde.
pour l'Europe, l'Amérique et l'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).
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●
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La trajectoire du pôle magnétique
terrestre mesurée sur différents
continents n'est pas la meme
=> Ceci montre que les plaques ont
bougé
=> On peut ainsi reconstituer le
mouvement des plaques.
La relation
permet de
définir un Pole magnétique virtuel
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Il s'agit de la position du pole si le champ
était 100% dipolaire
Retrouver les mouvements
des continents
●
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On a la relation :
=> On peut voir si des structures ont
changé de latitude au cours du temps
Ex : on mesure pour un échantillon de
Basalte prélevé par 42N et 120E une
inclinaison magnétique de 27 degrés.
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Il provient de la latitude :
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λ =arctg(1/2.tg27°) = 15°
On peut ainsi retrouver le mouvement
vers le nord de l'Inde
Retrouver la rotation des plaques
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Connaissant l'age d'une roche, on peut voir si elle
pointe ou non vers le pole magnétique de l'époque.
Si oui elle a pas tournée. Sinon il y'a eu rotation.
Bilan sur les variations CMT
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Fluctuations rapides sur une journée
d'origine externe (solaire)
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Variations séculaires ~100 ans
●
Excursion pole magnétique : 5000 ans
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Inversion : ~200000 ans.
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Definition du champ magnetique
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Carte du champ + interaction soleil.
●
Effet dynamo (NS, ....) + question ouverts
●
Dynamo numérique, analogique
●
Inclinaison, Mesures CM, aimentation des
roches
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Inversion , datation cr oceanique
●
Mouvement des plaques.
Le champ Magnétique Terrestre :
Un Ami bien étrange !
D'ou provient l'énergie
permettant la convection
dans le noyau ?