Le champ magnétique terrestre Géophysique : Magnétisme
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Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme 1 : Qu’est-ce que le géomagnétisme ? Le géomagnétisme a pour objet l’étude du champ magnétique terrestre Il existe 3 objectifs principaux : Physique du globe Géodynamique Géophysique appliquée Géophysique : Magnétisme environnemental Étude de ses variations temporelles pour en préciser les parts externes et internes Reconstitution des mouvements passés des plaques lithosphériques Prospection et étude des anomalies magnétiques (profondes ou en surface) Géomagnétisme 2 : Paramètres et unités H est le champ de force magnétique On définit la densité de flux magnétique, appelée induction magnétique B : B H Avec µ : perméabilité absolue du milieu Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme H est un vecteur dont le module s’exprime en A.m-1 (ampère par mètre) 1 A.m-1 est le champ magnétique produit au centre d’une spire circulaire de 1 m de rayon parcourue par un courant de 1 A B (souvent considéré abusivement comme le champ magnétique) s’exprime en T (tesla) T est une unité très grande ; dans la réalité, on utilise plutôt le nT (nanotesla) : 1nT = 10-9 T µ a pour unité le .s.m-1 (ohm-seconde par mètre) Géophysique : Magnétisme environnemental B H Géomagnétisme La perméabilité du vide est notée µ0 Dans le vide, un champ H crée une densité de flux B0 : B0 0 B Dans la pratique, on considère la perméabilité de l’air et de la plupart des roches égale à µ0, avec µ0 = 4.10-7 .s.m-1 La perméabilité relative d’un milieu est notée µr : r 0 Géophysique : Magnétisme environnemental µr est le rapport des 2 perméabilités ; c’est un nombre adimensionnel Géomagnétisme On peut dire que : B H H r 0 H r 0 H 0 H 0 ( r 1) H 0 H 0 ( r 1) H 0 H 0 H Avec : r 1 r 1 est la susceptibilité magnétique du milieu, qui est adimensionnelle Dans le vide, µr = 1 et = 0 Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme Pour avoir une densité de flux µH dans le milieu, il faut ajouter à µ0H un champ additionnel H Ce champ, exprimé en A.m-1, est appelé l’intensité de magnétisation M induite par H : M H En écriture vectorielle, on note : B 0 ( H M ) Géophysique : Magnétisme environnemental Donc, dans un repère Oxyz : Bx 0 ( H x M x ) By 0 ( H y M y ) Bz 0 ( H z M z ) Géomagnétisme Si un corps de volume v est uniformément aimanté avec l’intensité M, on peut en déduire le moment magnétique m, exprimé en A.m² : On peut en déduire que : M H m vM Une intensité de magnétisation peut exister dans certains corps ; elle est alors appelée magnétisation permanente ou rémanente m vM m v H Géophysique : Magnétisme environnemental Si un corps est soumis à un champ externe H, il acquerra en plus une intensité induite de magnétisation Géomagnétisme 3 : Le champ magnétique terrestre Schématiquement, le champ magnétique terrestre ressemble à celui d’un énorme aimant Il est explicable à plus de 90% par un dipôle au centre de la Terre m 8.1022 A.m² Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme a : Caractéristiques du champ magnétique terrestre La direction du champ varie avec la localisation : Vertical aux pôles Horizontal à l’équateur Le champ varie également dans le temps : Origine externe (vent solaires) Variations en intensité et en direction Quelques dizaines de nT en période calme Quelques centaines de nT en période agitée (tempêtes magnétiques) Nécessité d’appliquer une correction diurne Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme Le champ magnétique terrestre peut être défini par 3 composantes en tout point donné : Intensité F Inclinaison I Déclinaison D F x² y ² z ² z tan I H x H cos D y H sin D z F cos I Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme b : Inclinaison magnétique L’inclinaison a une influence sur la forme des anomalies magnétiques générées : Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme 4 : Notions de dipôle Ce concept est fondamental pour comprendre le comportement magnétique de la matière Un dipôle magnétique est la combinaison de 2 charges magnétiques de signe opposé (ou pôles), séparée par une courte distance Un aimant est un dipôle magnétique - + m Géophysique : Magnétisme environnemental Entre ces 2 pôles se trouve un champ électrique proportionnel à la charge de ces pôles Les dipôles ont un moment magnétique m représenté par un vecteur orienté du + vers le - Géomagnétisme 5 : Schématisation du champ magnétique terrestre En première approximation, le champ magnétique terrestre est généré par un dipôle situé au centre de la Terre Ce dipôle "fictif" est placé suivant une droite faisant un axe de 11,5° avec l’axe de rotation Géophysique : Magnétisme environnemental Une telle structure schématique du champ magnétique terrestre est appelé champ de Gauss Géomagnétisme Le champ réel est irrégulier et les pôles magnétiques vrais ne coïncident pas avec les pôles géomagnétiques et ne sont pas diamétralement opposés Latitude Longitude Pôles géomagnétiques Nord Sud 78,5°N 78,5°S 111°W 111°E Pôles magnétiques Nord Sud 75°N 67°S 101°W 143°E La ligne où l’inclinaison I = 0 n’est jamais à plus de 15° de l’équateur Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme La mise en plan des endroits d’égales inclinaison, déclinaison ou intensité magnétique donne des cartes isomagnétiques Intensité horizontale Intensité verticale En France, l’intensité du champ terrestre est de l’ordre de 45000 nT Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme 6 : Origine du champ magnétique principal Théoriquement, le champ magnétique terrestre peut être causé par une source interne ou externe ; ce magnétisme peut être rémanent ou engendré par un flux de courant Des analyses mathématiques ont montré qu’au moins 99% du champ observé en surface est causé par des sources internes Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme a : Hypothèses avancées Blackett (1947) : par observation des moments magnétiques de la Terre, du Soleil et d’une étoile, il en a conclu que c’est une propriété fondamentale des corps en rotation Cagniard (1961) : l’équivalent d’un dipôle est créé par la présence de très fortes charges électriques entraînées par la rotation terrestre Géophysique : Magnétisme environnemental Théorie périmée car s’appuyant sur une fausse valeur de H du Soleil Abandonnée car la magnétisation engendrée et le gradient du potentiel observé sont trop faibles par rapport à la théorie Géomagnétisme Demande une intensité de magnétisation trop forte par rapport aux observations des roches de surface Théorie de la Terre uniformément magnétisée Géophysique : Magnétisme environnemental Les hautes températures qui existent à l’intérieur de la Terre (> 2000°C) dépassent largement la température de Curie de la plupart des matériaux (Fe : 750°C ; Ni : 360°C ; magnétite : 575°C) ; ces matériaux possèdent alors une aimantation très faible incompatible avec des aimants permanents Géomagnétisme Théorie actuelle : la géodynamo Le champ magnétique terrestre est créé et entretenu par un processus d’induction ; des courants électriques intenses circulent dans le noyau extérieur (1300 < r < 3500 km) qui possède une conductibilité électrique très forte Le modèle utilisé est dit auto-excité : un fluide de grande conductivité bouge dans un mouvement complexe et des courants électriques sont causés par des variations chimiques qui produisent un champ magnétique Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme b : Variations internes séculaires De longues séries d’observations montrent que le champ magnétique terrestre est loin d’être constant Ces données ont l’air cycliques, mais d’autres observations ailleurs sur le globe ne confirment pas ces conclusions ; ces variations ont un caractère régional Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme 7 : Champ magnétique externe La majeure partie du 1% du champ magnétique provenant de l’extérieur de la Terre apparaît être associée aux courants électriques dans les couches ionisées de la haute atmosphère Les variations, tant temporelles que spatiales, de ce champ d’origine externe sont beaucoup plus rapides que celles du champ dit "permanent" Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme a : Variation diurne régulière Le phénomène d’ionisation est dû essentiellement au rayonnement lumineux L’ionisation augmente le jour et diminue la nuit ; la variation diurne suit le rythme solaire L’amplitude de la variation est influencée par le cycle d’activité solaire (taches solaires) qui passe par un maximum tous les 11 ans L’ionosphère se déplace par rapport au globe solide : • Circulation atmosphérique qui rétablit l’équilibre entre hémisphères "nuit" et "jour" • "Marée" atmosphérique Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme b : Tempêtes magnétiques Ce sont des perturbations magnétiques dont les amplitudes peuvent atteindre 2000 nT Elles se retrouvent à toutes les latitudes, mais sont plus importantes dans les régions polaires, où elles sont à l’origine des aurores boréales (hémisphère nord) ou australes (hémisphère sud) Elles sont dues à l’émission de particules électriques par le Soleil Ces tempêtes peuvent durer plusieurs jours, entraînant des perturbations magnétiques qui troublent les communications radios à grande échelle Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme 8 : Magnétosphère La magnétosphère est une région dans laquelle le mouvement des particules est dicté par le champ magnétique terrestre La forme de la magnétosphère est définie par l’interaction des particules du vent solaire avec le champ magnétique terrestre Face au Soleil, elle s’étend en moyenne jusqu’à 60000 km Du côté opposé, elle s’étire en une queue qui s’étend sur plusieurs millions de km Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme
