IGRF, n

Cours
GEOMAGNETISME
Frédéric Schmidt ([email protected]), Michel Menvielle
Géomagnétisme
Le magnétisme
Géomagnétisme
Génération du champ magnétique
Advection :
évolution du champ magnétique liée au
mouvement du milieu. Les lignes de force du
champ sont déformées par le mouvement de
matière conductrice.
Diffusion :
décroissance du champ magnétique dans un
milieu où il n’y a pas de sources.
Géomagnétisme
Induction électromagnétique
Courants dans lʼenvironnement ionisé
Bi
Be
Dans un milieux planétaire conducteur,
les variations magnétiques dʼorigine
externe créent des courants électriques
induits qui tendent à sʼopposer au
champ inducteur.
Courants induits
La profondeur de pénétration du champ
dans la planète conductrice croît avec la
période du champ et la résistivité du milieu
Possibilité de sondage dans le domaine fréquentiel
Géomagnétisme
Aimantation des matériaux géologiques
Agitation
thermique
m alignés sur
B(θblocage)
θblocage
m alignés sur
B actuel
θCurie
m distribués
au hasard
Température
Roches ignées
Roches sédimentaires
Géomagnétisme
Les sources du champ géomagnétique
 Dynamo planétaire
Mouvements de convection d’origine
thermique et/ou compositionnelle
⇒ champ principal
 Dynamique du noyau
 Aimantation des matériaux géologiques
⇒ anomalies statiques
 Aimantation des matériaux lithosphériques :
- structure de la lithosphère
- contraintes sur l’histoire et la dynamique de
la Terre
 Courants dans l’environnement terrestre
Convection du plasma dans
l’ionosphère et la magnétosphère
⇒ Champ transitoire (primaire)
 Électrodynamique de l’environnement
ionisé de la Terre
Induction dans la planète conductrice
⇒ champ transitoire (secondaire)
 Conductivité des matériaux géologiques :
- structure de la lithosphère et présence d’eau
- contraintes sur la thermodynamique du manteau
Géomagnétisme
Introduction :
outils d’observation
harmoniques sphériques
Géomagnétisme
Magnétomètre
Mesure de l intensité du champ :
- en X, Y, Z
- Intensité totale F, Inclinaison par
rapport au plan horizontal I
(~pendage), Déclinaison par rapport
au Nord D (~direction)
Déclinaison
Géomagnétisme
Le réseau des observatoires magnétiques
Les observatoires INTERMAGNET : équipés de
magnétomètres numériques, ces observatoires
diffusent leurs observations via Internet
Géomagnétisme
Les enregistrements continus des variations du champ magnétique recueillis aux observatoires constituent une base de données irremplaçable pour décrire
l’évolution du champ magnétique terrestre.
Les premiers observatoires magnétiques ont été installés au milieu du XIXème siècle. Jusqu’aux premiers satellites magnétiques, lancés dans les années mille
neuf cent soixante dix, ils constituent la seule base de données permettant de décrire le champ planétaire et sa variation séculaire ainsi que les variations
transitoires de source externe, liées aux dynamos ionosphérique et magnétosphérique.
Un observatoire magnétique comporte un laboratoire, un pavillon destiné aux mesures absolues et un pavillon abritant les variomètres.
Le réseau Intermagnet
Géomagnétisme
L’orage magnétique du 29 mai 2003
Géomagnétisme
Levés à pieds
Ligne
Traverse
Le magnétomètre est porté par un
opérateur qui effectue les mesures
en un réseau de points aussi
régulier que possible
Géomagnétisme
Levés aéromagnétiques
Ligne
Traverse
Le magnétomètre est traîné par un
avion qui vole à altitude constante
selon un plan de vol précis
Géomagnétisme
Réseaux de stations de répétition
Le réseau français


: station de répétition
Géomagnétisme
Le réseau de répétition en Europe
Géomagnétisme
Le réseau de répétition en Afrique australe
Ruacana
Sesfontei
n
Okaukuej
o
TSU
Tsumkw
e
Maun
Orapa
Ugab
Francistown
Ghanzi
Windhoe
k
Swakopmund
Gobabis
Messina
Tom
Burke
Khutse
Tshane
Sossusvlei
Luderitz
Mica
Unions
End
HB
K
Severn
Keetmanshoo
p
Hertzogvill
e
Upingto
n
Alexanderba
y
Underber
g
M’Penja
ti
Fonteintjie
Willisto
n
Cradock
Kareebo
s
HER
Piet
Retief
Dundee
Ladybrand
Blouvlei
Garies
Baberto
n
Gonubie
George
Humansdor
p
Géomagnétisme
Réseau mondial des stations de répétition
Géomagnétisme
Satellites dédiés
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Magsat
Lancé en 1979
États - Unis
Orbite polaire, 390-450 km
Héliosynchrone (6 h. – 18 h.)
Cartographie magnétique
Premier satellite avec
un magnétomètre 3composante
Ørsted
Lancé en 1999
Danemark
Orbite polaire, 500-850 km,
Inclinaison élevée,
tous temps locaux
Cartographie magnétique
•
•
•
•
•
•
•
CHAMP
Lancé en 2000
Allemagne
Orbite polaire, 300-450 km,
Inclinaison élevée,
tous temps locaux
Cartographie magnétique et
gravimétrique
•
•
•
•
•
•
•
SAC-C
Lancé en 2000
Argentine
Orbite circulaire, 702 km,
Inclinaison élevée,
tous temps locaux
Cartographie magnétique
Géomagnétisme
Couverture de la Terre par satellite
La couverture en
latitude dépend de
l’inclinaison du plan de
l’orbite par rapport à
l’axe Nord – Sud de la
Terre
Géomagnétisme
Fin du premier cours (1,5
heures)
Introduction :
outils d’observation
harmoniques sphériques
Géomagnétisme
Potentiels harmoniques
Champ de gravité
ΔU = 0
à l’extérieur des masses
ΔU = -4πγρ(P) où ρ(P) est la densité en P
Champ magnétique
ΔU = 0
à l’extérieur des sources
Géomagnétisme
Fonctions harmoniques : cas cartésien
Fonctions harmoniques (f1, f2, f3, ...), solution de l’équation :
Δf(x,y,z) = 0
{a < x < a+A ; b < y < b+B ; z ∈ R}
f1=f1(x,y,z),
orthogonal à
toutes les
autres f2, f3, ...
...
solution
=
f1 * coef1 + f2 * coef2 + f3 * coef3 + f4 * coef4 + f5 * coef5 + f6 * coef6 + ...
La solution est entièrement connu si on
connait : coef1, coef2, coef3, ...
Géomagnétisme
Fonctions harmoniques : cas cartésien
Δf(x,y,z) = 0
{a < x < a+A ; b < y < b+B ; z ∈ R}
Solution à variables séparées : f(x,y,z) = X(x)Y(y)Z(z)
[0,A] et [0,B] finis
⇓
m et n entiers
Géomagnétisme
Fonctions harmoniques sphériques
Δf(r,θ,λ) = 0
{0 < θ < π ; 0 < λ < 2π ; r ∈ R+}
colatitude; longitude; rayon
Solution à variables séparées : f(r,θ,λ) = R(r).Θ(θ).Λ(λ)
f périodique en θ et λ ⇔ m et n entiers ; 0 ≤ m ≤ n
Géomagnétisme
Fonctions de Legendre associées
n
m
0
1
2
3
0
1
1
cos θ
sin θ
2
(3 cos2 θ – 1)/2
3 sin θ cos θ
3 sin2 θ
3
(5 cos3 θ – 3 cos θ)/2
sin θ (15 cos2 θ – 3)/2
15 sin2 θ cos θ
15 sin3 θ
4
(35 cos4 θ – 30 cos2 θ + 3)/8
sin θ (35 cos3 θ – 15 cos θ)/2
sin2 θ (105 cos2 θ – 15)/2
105 sin3 θ cos θ
Fonctions de Legendre associées
Les fonctions
sont
orthogonales sur une sphère unité
4
105 sin4 θ
(non normalisées)
Fonctions orthonormées
coefficient de normalisation :
Fonction imparfaitement normalisées de Schmidt
coefficient de normalisation :
Géomagnétisme
Exemples de variation avec θ et φ
P50 (cos θ)
P169 (cos θ) cos 9φ
P99 (cos θ) cos 9φ
Géomagnétisme
Fonctions harmoniques sphériques
θ : co-latitude
λ : longitude
Résolution d'un modèle
= π R (planète) / n
= 20 000 km / n, pour la Terre
degré ≤ n ≤ ∞
0 ≤ ordre m ≤ degré ≤ n
Géomagnétisme
Interprétation physique
; U harmonique – sources internes
Premiers degrés du développement en harmoniques sphériques de U
n = 1 (U ∝ r-2 ; B ∝ r-3) :
champ crée par un dipôle
centré
n = 2 (U ∝ r-3 ; B ∝ r-4) :
champ crée par un quadripôle
centré
n = 3 (U ∝ r-4 ; B ∝ r-5) :
champ crée par un octopôle
centré
En blanc, les zones où les lignes de
force du champ pénètrent dans la
Terre ;
en noir, les zones où elles en sortent
Géomagnétisme
Dépendance en r
→ ∞ quand r → 0 : source « interne »
→ ∞ quand r → ∞ : source « externe »
La connaissance des amn,i, amn,e, bmn,i et bmn,e en r = α suffit pour déterminer f
(r,θ,λ) pour toutes les valeurs de r dans la région de l’espace autour de
r = α où f est harmonique (c’est à dire à l’extérieur des sources)
Géomagnétisme
Prolongement
En dehors des sources
V, BN, ou Bθ connus sur une surface fermée
dérivée verticale de V inconnue
V(r) indéterminé
en l’absence d’hypothèses sur la localisation
(interne ou externe) des sources
Pour pouvoir déterminer de façon univoque V (et donc le champ B) dans tout
l’espace en dehors des sources, il est nécessaire de connaître :
• soit V et sa dérivée verticale sur une surface fermée ;
• soit V dans un volume.
Géomagnétisme
Le champ planétaire :
champ principal
dipôle terrestre
pôles magnétiques
dynamo planétaire
Géomagnétisme
La première carte
magnétique, établie par
Edmund Halley
Géomagnétisme
L’IGRF :
modèle du champ principal
Géomagnétisme
L’IGRF
 a : rayon moyen de la Terre (6371.2 km) ;
 r, θ et φ : les coordonnées sphériques géocentriques (r : distance au centre de la
Terre ; φ : longitude Est de Greenwich ; θ : colatitude (90° moins la latitude) ;
 N = 10 (120 coefficients) ;
 fonctions de Legendre associées : quasi-normalisation de Schmidt.
IGRF (International Geomagnetic Reference Field)
coefficients de Gauss décrivant le champ principal à une époque
donnée, habituellement tous les 5 ans ;
DGRF (Definitive Geomagnetic Reference Field)
IGRF actualisé à l’aide de données qui n’étaient pas disponibles
lors de l’élaboration de l’IGRF.
Géomagnétisme
L’IGRF 2000
Champ dipolaire
Champ quadripolaire
Champ octopolaire
Champ 16polaire
Question : quelle est le type de champ dominant ?
Géomagnétisme
L’IGRF
Inclinaison
Intensité
Déclinaison
Question : Où se trouve les pôles ?
Géomagnétisme
Le champ statique
Surface de la
Terre
Champ principal et
anomalies de grande longueur d’onde
n ≤ 14 :
lorsque n augmente, l’énergie décroît à la
surface de la Terre, alors qu’elle varie très peu
à la surface du noyau.
n ≥ 14 :
l’énergie varie très peu avec n à la surface de
la Terre
⇓
Le champ lié à la dynamo terrestre domine pour n ≤
13 ; le champ d’anomalies de grande longueur
d’onde domine pour n ≥ 15.
Surface du
noyau
Énergie observée pour chaque degré n du
développement en harmonique sphérique
du champ magnétique terrestre.
Géomagnétisme
latitude
Le champ principal : isogones
Isogones : ligne de
même déclinaison
magnétique
longitude
DGRF 2000
Géomagnétisme
latitude
Le champ principal : F
longitude
Intensité (F) du champ à la surface de la Terre en 1995 (IGRF, n ≤ 10)
Géomagnétisme
latitude
Le champ principal : I
longitude
Inclinaison (I) à la surface de la Terre en 1995 (IGRF, n ≤ 10)
L’équateur magnétique est défini par la courbe I=0
Géomagnétisme
Champ magnétique terrestre
Inclinaison
Intensité totale
Méridiens
Géomagnétisme
Le champ magnétique en France
Levé aéromagnétique +
stations de répétition D
I I

F

: station de répétition
Mandea et al., EOS, 1999
Géomagnétisme
Le champ magnétique en Allemagne
Stations de répétition
6°
7°
8°
9°
10°
11°
12°
13°
14°
15°
55°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
12°
13°
14°
15°
55°
54°
6°
7°
8°
9°
54°
13°
14°
15°
54°
54°
WNG
53°
NGK
12°
55°
WNG
52°
11°
55°
WNG
53°
10°
53°
52°
53°
NGK
52°
NGK
52°
51°
51°
51°
51°
50°
50°
50°
50°
49°
49°
49°
49°
FUR
48°
47°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
Déclinaison
12°
FUR
48°
13°
14°
15°
47°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
12°
FUR
48°
13°
Composante horizontale
14°
15°
47°
6°
7°
8°
9°
10°
11°
48°
12°
13°
14°
15°
47°
Composante verticale
Korte, 2005
Géomagnétisme
La variation séculaire
Géomagnétisme
Variation séculaire
Géomagnétisme
Sauts de variations séculaires (‘jerks’)
D – moyennes mensuelles
degré
degré
moyennes mensuelles
années
années
Géomagnétisme
Variations de la déclinaison à Paris
Déclinaison
1534: Coignon
Dieppe
10°E
1541: Kunstler Bellarmatus
Paris
6°30'E
1600:
Paris
8°E
Marseille 2°40'E
Lyon
4°30'E
Géomagnétisme
Variation de l’inclinaison à Paris
Inclinaison
1660:
Paris
70°
Géomagnétisme
Variation du champ principal : 1980 – 2001
Anomalie de
l’Atlantique Sud
Intensité (F) du champ total
Variations de F entre 1980
(MAGSAT) et 2001 (CHAMP)
Géomagnétisme
Le champ à la surface du noyau
latitude
nT
longitude
Intensité (F) du champ à la surface du noyau en 1995 (IGRF, n ≤ 10)
Géomagnétisme
Le champ à la surface du noyau
1900
1950
F à la surface du noyau (IGRF, n ≤ 10)
1925
1975
Géomagnétisme
Le champ planétaire :
champ principal
dipôle terrestre
pôles magnétiques
dynamo planétaire
Géomagnétisme
Champ dipolaire de la Terre
Les coefficients de l’IGRF
montrent clairement que le
champ magnétique terrestre est
dominé par un terme dipolaire qui
représente plus de 95% de
l’énergie magnétique totale à la
surface de la Terre.
79°N, 96°O
1ère détermination : 31 mai 1831
Le dipôle équivalent est incliné de
environ 11° par rapport à l’axe de
rotation de la Terre. Son pôle
magnétique Nord et dans
l’hémisphère Sud
71°S, 152°E
1ère détermination : 16 janvier 1909
Géomagnétisme
Champ magnétique : inclinaison
2001
1904
Géomagnétisme
Champ magnétique : intensité totale
2001
1904
Géomagnétisme
Champ magnétique : méridiens
2001
1904
Géomagnétisme
Le champ planétaire :
champ principal
dipôle terrestre
pôles magnétiques
dynamo planétaire
Géomagnétisme
Le pôle magnétique de 1831 à 2001
Hémisphère Nord
Géomagnétisme
Le pôle magnétique de 1900 à 2003
2003
2000
1990
1995
1985
1980
1975
1970
1965
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1915
1920
Hémisphère Sud
1910
1905
1900
Projection stéréographique polaire
Géomagnétisme
Pôle magnétique : variations quotidiennes
Hémisphère Nord
Géomagnétisme
Le champ planétaire :
champ principal
dipôle terrestre
pôles magnétiques
dynamo planétaire
Géomagnétisme
La dynamo planétaire
La convection – d’origine thermique et/ou compositionnelle – des matériaux
conducteurs qui constituent le noyau liquide engendre le champ magnétique terrestre
Géomagnétisme
Advection et diffusion
Advection :
évolution du champ magnétique liée au
mouvement du milieu. Les lignes de force du
champ sont déformées par le mouvement de
matière conductrice.
Diffusion :
décroissance du champ magnétique dans un
milieu où il n’y a pas de sources.
Géomagnétisme
Les ‘moteurs’ de la dynamo
Différentiation par
cristallisation
Libération d’éléments
légers qui remontent
Refroidissement de la
planète
Transfert convectif de
la chaleur
Cristallisation
d’éléments lourds
à la surface de la
graine.
Géomagnétisme
Les ‘annihilateurs’ possibles d’une dynamo
manteau inférieur
noyau liquide
graine
Blocage du transfert de chaleur du
noyau vers le manteau sous certaines
conditions thermodynamiques et
minéralogiques
Pas assez d’énergie libérée au
sommet de la graine pour qu’un
transfert convectif au travers du noyau
liquide soit nécessaire
Breuer and Spohn (2003)
Géomagnétisme
Convection dans les corps en rotation
En rotation rapide, la théorie prédit que l’espace correspondant
au noyau liquide se décompose en deux régions dynamiquement
distinctes :
 un cylindre central, parallèle à l’axe de rotation de la
Terre, qui englobe la graine.
 à l’extérieur de ce cylindre, une région où
l’écoulement s’organise sous la forme de rouleaux parallèles
à l’axe de rotation de la Terre.
Vecteur rotation de la Terre.
Géomagnétisme
Vitesses à la surface du noyau
Approximation géostrophique
(force de coriolis et de pression)
et flux gelé
Champ de vitesse à la
surface du noyau, déduite
de la variation séculaire du
champ magnétique terrestre
observée.
Les courbes sont les lignes
de force du champ de
vitesse.
Géomagnétisme
Les anomalies statiques :
anomalies crustales
anomalies de grande
longueur d’onde
Géomagnétisme
Les sources du champ géomagnétique
 Dynamo planétaire
Mouvements de convection d’origine
thermique et/ou compositionnelle
⇒ champ principal
 Dynamique du noyau
 Aimantation des matériaux géologiques
⇒ anomalies statiques
 Aimantation des matériaux lithosphériques :
- structure de la lithosphère
- contraintes sur l’histoire et la dynamique de
la Terre
 Courants dans l’environnement terrestre
Convection du plasma dans
l’ionosphère et la magnétosphère
⇒ Champ transitoire (primaire)
 Électrodynamique de l’environnement
ionisé de la Terre
Induction dans la planète conductrice
⇒ champ transitoire (secondaire)
 Conductivité des matériaux géologiques :
- structure de la lithosphère et présence d’eau
- contraintes sur la thermodynamique du manteau
Géomagnétisme
Les anomalies statiques :
anomalies crustales
anomalies de grande
longueur d’onde
Géomagnétisme
Cartographie des variations spatiales
d’échelle décakilométrique :
structure et dynamique de la croûte
Géomagnétisme
Assemblage de levés européens
Assemblage des levés
aéromagnétiques sur le Sud-Ouest de
l’Europe : Allemagne (ex RFA),
Belgique, Irlande, France, Italie,
Portugal, Royaume Uni, Golfe de
Gascogne, Méditerranée occidentale
Géomagnétisme
Le Sud de la France
Domaine continental
Pourquoi ?
Champ incohérent car
direction incohérente à
l’échelle régionale du à la
tectonique
Géomagnétisme
Le Golfe de Gascogne
Domaine océanique
Pourquoi ?
Pas de mouvement
tectonique locaux,
enregistrement cohérent
Géomagnétisme
Les anomalies statiques :
anomalies crustales
anomalies de grande
longueur d’onde
Géomagnétisme
Longueurs d’ondes intermédiaires : France
Mesures satellites
Anomalie magnétique du bassin de
Paris : origine discutée (suture de
l’épisode varisque ?)
Les données
Géomagnétisme
Longueurs d’ondes intermédiaires :
Allemagne
X : Nord géographique
Z : verticale descendante
Y : Est géographique
E. Thébault
Géomagnétisme
Profil ballon en Méditerranée occidentale
Géomagnétisme
Profil ballon : réduction des mesures
B mesuré
B_IGRF
B mesuré – B_IGRF
B_CLF
Ba = B mesuré – B_IGRF – B_CLF
Géomagnétisme
Profils magnétiques à différentes altitudes
~400 km MAGSAT
~40 km Ballon
(Ba filtré passe-bas)
~4 km levés aéromagnétiques
Géomagnétisme
Profil ballon : interprétation
Les anomalies magnétiques sont la
signature de structures tectoniques
majeures de
la région traversée
Géomagnétisme
Grande longueur d’onde : Europe
E. Thébault et J.-J. Schott
Géomagnétisme
Grande longueur d’onde : planète
Géomagnétisme
Reconstruction paléo-géographique
PANGÉE B
Début du Permien
250 Ma
TEUR
ÉQUA
TÉTHYS
Les anomalies magnétiques de grande longueur
d’onde observées en Europe, Afrique et
Amérique se raccordent si les continents ont la
position relative qu’ils occupaient il y a 250 Ma.
Géomagnétisme
Géomagnétisme et
tectonique des plaques :
anomalies océaniques
paléomagnétisme
Géomagnétisme
L’expansion du plancher océanique
Ride
médio-atlantique
Le plancher océanique est généré
symétriquement à partir de la ride médioocéanique. Le mode de mise en place
peut être comparé au fonctionnement
d’un tapis roulant
Géomagnétisme
Aimantation de la lithosphère océanique
La lithosphère océanique fossilise le champ magnétique lors
de sa création. Les anomalies magnétiques qui en résultent
mettent en évidence l’existence d’inversions de polarité du
champ magnétique et permettent de les dater.
Géomagnétisme
Chronologie des inversions
Géomagnétisme
Age des planchers océaniques
Géomagnétisme
Ouverture de l’Atlantique Nord
Déplacement de l’Europe, de
l’Afrique et du Groenland par
rapport à l’Amérique du Nord.
En noir : positions actuelles
Mouvements reconstitués à
partir de l’age de la lithosphère
océanique déterminé à partir
des anomalies magnétique
Géomagnétisme
Géomagnétisme et
tectonique des plaques :
anomalies océaniques
paléomagnétisme
Géomagnétisme
Paléomagnétisme (1)
Objectif :
déduire la position d’une plaque à une
époque passée à partir de la direction
du champ fossilisé à cette époque
Hypothèse fondamentale :
à l’échelle de quelques millions d’années, le champ
magnétique terrestre moyen est celui d’un dipôle
axial centré
La paléo-longitude
est indéterminée
Il existe une relation simple
entre l’inclinaison et la latitude
Géomagnétisme
Paléomagnétisme (2)
L’hypothèse fondamentale est
vérifiée entre –5 Ma et l’actuel
I = f(λ) mesurée sur des
échantillons récents (< 5 Ma)
PGV mesurés sur des
échantillons récents (< 5 Ma)
Géomagnétisme
Pôle géomagnétique virtuel
Pôle géographique
actuel
Pôle géomagnétique
virtuel
Le PGV est déterminé de façon statistique.
Sur une plaque, il y a en général plusieurs
sites échantillonnés pour une même période.
Pôle géomagnétique virtuel (PGV) :
pôle du dipôle axial centré correspondant à la
direction du champ fossile mesurée
Le PGV permet de déterminer la paléolatitude et la paléo-orientation de la
plaque, mais pas sa paléo-longitude.
Deux plaques s’éloignant l’une de l’autre
par simple rotation autour du pôle Nord
géographique ont le même PGV.
Géomagnétisme
Mouvement des plaques
Middle Devonian 375 Ma
Late Carboniferous 300 Ma
Early Permian
PANGAEA A1
Late Triassic
~ -210 Ma
PANGAEA A2
Late Permian
~ -250 Ma
PANGAEA B
Early Permian
~ -280 Ma
250 Ma
Early Jurassic
175 Ma
Middle Cretaceous 100 Ma
Middle Tertiary
25 Ma
Évolution possible de Pangée, basée sur
l’ajustement des lignes de côtes optimisé
en fonction des données
paléomagnétiques
Mouvement relatif des continents depuis
le Dévonien. Paléo-reconstructions
déduites des données paléomagnétiques
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
Reconstitution paléo géographique
Géomagnétisme
La Terre il y a 18000 ans…
Géomagnétisme
… et maintenant
Géomagnétisme
Magnétosphères
planétaires
Géomagnétisme
Les sources du champ géomagnétique
 Dynamo planétaire
Mouvements de convection d’origine
thermique et/ou compositionnelle
⇒ champ principal
 Dynamique du noyau
 Aimantation des matériaux géologiques
⇒ anomalies statiques
 Aimantation des matériaux lithosphériques :
- structure de la lithosphère
- contraintes sur l’histoire et la dynamique de
la Terre
 Courants dans l’environnement terrestre
Convection du plasma dans
l’ionosphère et la magnétosphère
⇒ Champ transitoire (primaire)
 Électrodynamique de l’environnement
ionisé de la Terre
Induction dans la planète conductrice
⇒ champ transitoire (secondaire)
 Conductivité des matériaux géologiques :
- structure de la lithosphère et présence d’eau
- contraintes sur la thermodynamique du manteau
Géomagnétisme
Poussières et particules ionisées
Planète conductrice
sans atmosphère
sans champ magnétique
Planète résistante
sans atmosphère
sans champ magnétique
Planète
(avec atmosphère)
avec champ magnétique
Planète
avec atmosphère
sans champ magnétique
L’interaction avec le vent solaire dépend de la
présence d’un champ magnétique planétaire ou
d’une atmosphère, et de la conductivité de la planète
Interaction avec le vent solaire
Obstacle :
champ magnétique planétaire
Astéroïdes
AUTRES
NEPTUNE
URANUS
SATURNE
JUPITER
MARS
TERRE et LUNE
VENUS
MERCURE
SOLEIL
V
E
N
T
S
O
L
A
I
R
E
(Courtesy of P. Robert, CETP)
Obstacle : champ magnétique planétaire
La magnétosphère terrestre
La pression magnétique s’écrit :
Pmag
B2
=
2µ0
(1)
Décroissance du champ magnétique d’un dipôle :
B(r) ∼
Exercice :
Taille de la
magnétopause ?
1
r3
(2)
Pression cinétique de particule de densité numérique n (en particule / m3 )
pour un gaz parfait :
P = nkT
(3)
Energie cinétique :
1
mv 2
(4)
2
Température et vitesse quadratique sur un gaz évolutant à dimension D (ici
D=2 car le vent solaire se déplace dans le plan équatorial) :
Ec =
D
kT = kT
(5)
2
Sachant le champ magnétique mesuré sur Terre BT = 50 nT, µ0 = 1.26 ×
−6
10 T·m/A, n = 5.×106 particule/m3 , masse de l’hydrogène m = 1.675×10−27
kg, vitesse radiale mesurée v = 200 km/s, calculez la distance au centre de la
Terre de l’équilibre de pression du vent solaire et du champ magnétique terrestre
(appelé magnétopause) ?
Sachant que le champ magnétique à la surface de Mercure est BM = 2×10−8
T, quel est la position de sa magnétopause ?
Ec =
1
Pression du vent solaire :
1
nmv 2
(6)
2
Champ magnétique à la distance r, en fonction de la mesure en surface :
P =
Réponse :
RT3
B(r) ∼ BT 3
r
Pression du champ magnétique terrestre :
(7)
BT2 RT6
=
2µ0 r6
(8)
1
BT2 RT6
2
= P ⇒ nmv =
2
2µ0 r6
(9)
Pmag
A la magnétopause :
Pmag
Donc :
r=
�
6
BT2
RT
µ0 nmv 2
(10)
D’après les calculs, on trouve r = 13RT .
Pour Mercure, on trouve r = 1RM
En IDL : ((5.*10^(-5.))^2. /( 1.26*10^(-6.) * 5.*10^6. * 1.675*10^(-27.) *
(200000.)^2. ))^(1/6.)
En IDL : ((5.*10^(-5.)*0.0004)^2. /( 1.26*10^(-6.) * 5.*10^6. * 1.675*10^(27.) * (200000.)^2. ))^(1/6.)
Survol de Mariner 10 en 1974
Mercure : une petite magnétosphère
Vent solaire
Onde de choc du
plasma, excité par les
interactions entre
champs du vent
solaire et de la Terre
Magnétopause :
frontière presque
étanche
Magnétogaine
Magnétosphère
Plasmasphère :
en co-rotation
avec la haute
atmosphère
La magnétosphère terrestre
Effet du vent
solaire
Pénétration à lʼintérieur de la magnétosphère
e- (côté soir)
p+ (côté matin)
1. Recombinaison magnétique (champ solaire inversé, possible car le
soleil est un multi-pôle magnétique)
Découplage des charges àLa
cause
du gradient de
champ
magnétosphère
terrestre
Créé le courant de Chapman-Ferraro
Pénétration à lʼintérieur de la magnétosphère
e- (côté pôle Sud)
magnétique
p+ (côté pôle Nord
magnétique)
2. Cornets polaires
La magnétosphère terrestre
Pénétration à lʼintérieur de la magnétosphère
3. Lignes de champ compatible
La magnétosphère terrestre
Pénétration à lʼintérieur de la magnétosphère
p+ (côté matin)
e- (côté soir)
4. Feuillet de plasma
Découplage des charges à cause du gradient de champ
La magnétosphère terrestre
Ceinture externe de Van Allen / anneau de courant
e- (côté soir)
p+ (côté matin)
p+ (côté matin)
e- (côté soir)
4 à 7 rayon terrestre
particule issus du feuillet de plasma majoritairement
La magnétosphère terrestre
Ceinture interne de Van Allen
e- (côté soir)
p+ (côté matin)
e- (côté soir)p+ (côté matin)
1 rayon terrestre
particule issus des collisions de vent très énergétique
(bombardement cosmique, orage magnétiques)
La magnétosphère terrestre
Coquille des Ceintures de Van Allen
ovale aurorale
enroulement autour des lignes de champ
électrons arrivent parfois à atteindre la haute atmosphère
La magnétosphère terrestre
Aurore, Fairbanks, Alaska
Le champ magnétique
planétaire peut guider
les électrons de la
magnétosphère jusquʼà
des altitudes
suffisamment basses
pour quʼils excitent les
molécules de
lʼatmosphère. Ces
molécules se
désexcitent en émettant
de la lumière, créant
ainsi les aurores.
Image Geophysical Institute, Université. d’Alaska
Les aurores
Aurore : région de Rouen, le 11 avril 2001
Photo de Saturne dans
lʼultraviolet proche.
Les anneaux de matière
brillante observés aux
pôles de Saturne
correspondent à des
aurores boréales et
australes. Les ʻrideauxʼ
auroraux sʼélèvent à plus
de 1500 km au dessus du
sommet des nuages.
Photo : télescope Hubble, NASA
Aurores sur Saturne
Here is the picture of Saturn taken by the Hubble telescope in ultraviolet light. The glowing, swirling material at Saturn's
poles is its auroral "curtains," rising more than a thousand miles above the cloud tops.
Saturn's auroral displays are caused by an energetic wind from the Sun that sweeps over the planet, much like Earth's
aurora, which is occasionally seen in the nighttime sky. The process that triggers these auroras is similar to the
phenomenon that causes fluorescent lamps to glow.
Ganymède a un champ
magnétique interne
faible et donc une
magnétosphère
Planètes à champs magnétique interne
Planète
Champ
magnétique
distance
Magnétopause
théorique
distance
Magnétopause
observé
variation
Mercure
0.0004
1.3
1.6
0
Terre
1
10
11
2
Jupiter
20
42
75
25
Saturne
600
19
19
3
Uranus
50
25
18
0
Neptune
25
24
24.5
1.5
Obstacle :
atmosphère planétaire
Astéroïdes
AUTRES
NEPTUNE
URANUS
SATURNE
JUPITER
MARS
TERRE et LUNE
VENUS
MERCURE
SOLEIL
Obstacle :
atmosphère planétaire
Onde de choc du
plasma, excité par les
interactions entre
champs du vent
solaire et Vénus
Ombre du vent solaire
gaz ionisé = ionosphère
Ionosphère
Obstacle :
atmosphère planétaire
Vénus
Russel et al., 1981
Ionosphère
Vénus
Lʼatmosphère de Vénus est
composée de CO2, lʼeau ayant
complètement disparue par érosion
dû au vent solaire).
Nuages dans l’atmosphère de Vénus
New Face of Venus: The image was made by the Galileo spacecraft in February 1990. This view of the night side through a near-infrared
"window" (at a wavelength of 2.3 microns) highlights structures in the lower clouds, six to ten miles below the visible cloudtops. The white and
red spots are places where the clouds are thinnest. (NASA)
Mars
Mars Global
Surveyor :
observations faites
durant la phase de
cartographie (50%
nocturne, 370-430 km)
Champ magnétique dû à l’aimantation (probablement acquise
lors d’une phase de champ magnétique interne)
Désaimantation dû au bombardement météorotique ?
Le champ magnétique martien observé
Probabilité dʼêtre à lʼintérieur de lʼionosphère martienne à
lʼaltitude de MGS (400 km) => ionosphère captive
« Planétopause » martienne
Un paysage martien typique
Galileo
Image: Viking, 1976 (NASA)
Mars : un désert sec et rocailleux
Durant les périodes dʼactivité magnétique, des ions
atmosphériques (notamment O+) sont accélérés à
haute latitude et sʼéchappent.
Ils sont stockés dans la queue de la magnétosphère
et, pour la plupart dʼentre eux, ré-injectés dans la
plasmasphère par la convection magnétosphérique.
Le bilan moyen à long terme est très
vraisemblablement équilibré.
Le flux continu du vent solaire et la faible gravité de Mars
se traduisent par un entraînement horizontal du plasma
atmosphérique, qui est ensuite entraîné dans lʼespace
interplanétaire.
Il sʼéchappe ainsi de lʼenvironnement planétaire.
Lʼatmosphère se vide progressivement.
Lʼenvironnement planétaire sʼappauvrit en
oxygène, et donc en eau.
L’érosion atmosphérique
Pas d’atmosphère
Astéroïdes
AUTRES
NEPTUNE
URANUS
SATURNE
JUPITER
MARS
TERRE et LUNE
VENUS
MERCURE
SOLEIL
Pas d’atmosphère planétaire
- exposition directe au bombardement météoritique
 Formation d'une couche superficielle de matériaux de dépôts éjectés,
brisés, abrasés, recollés entre eux (par les produits de fusion d'impact),
le régolithe
- en absence de champ magnétique, la surface est directement exposée au
rayonnement particulaire du Soleil ⇒ le régolithe est fortement aimanté.
Surface de l’astéroïde Eros.
Photo prise par la sonde
NEAR Shoemaker lors de
son atterrissage (altitude :
250 m).
12 mètres
Régolithe lunaire (photo
prise durant la mission
Apollo 11).
Le régolithe
Isokawa est un astéroïde
étrange
Sa surface, constituée
dʼétendues poussiéreuses
avec dʼénormes rochers,
semble dépourvue de
cratères
Longueur Isokawa :
~500 m
Astéroïde Itokawa,
photographié par la sonde
japonaise Hayabusa (2005)
Exemple de surface d’astéroïde
Surface de lʼastéroïde Eros,
photographié par la sonde
américaine Near juste avant
son atterrissage (2001)
Surface de lʼastéroïde Itokawa,
photographié par la sonde japonaise Hayabusa lors dʼun
passage au ras du sol de lʼastéroïde (2005)
Exemple de surface d’astéroïde
Références
- Sous les feux du Soleil, Jean Lilensten et Jean
Bornarel, EDP Science, 551.5 LIL sou
- Du Soleil à la Terre Aéronomie et météorologie de
l'espace
Jean Lilensten et Pierre-Louis Blelly, EDP Sciences,
523.1 LIL sol
- Magnétisme terrestre : introduction, Jean-Jacques
Delcourt, 551.1 DEL mag
Géomagnétisme