Magnétosphère terrestre : protéger notre planète des rayonnements spatiaux nocifs

Illustration schématique du champ magnétique terrestre. Crédit : Peter Reid, Université d’Édimbourg

Parmi les quatre planètes rocheuses de notre système solaire, on pourrait dire que la personnalité « magnétique » de la Terre fait l’envie de ses voisins interplanétaires.

Contrairement à Mercure, Vénus, et Mars, la Terre est entourée d’un immense champ magnétique appelé magnétosphère. Générée par des forces puissantes et dynamiques au centre de notre monde, notre magnétosphère nous protège de l’érosion de notre atmosphère par le vent solaire (particules chargées que notre Soleil nous crache continuellement), de l’érosion et du rayonnement de particules provenant des éjections de masse coronale (nuages ​​massifs de et solaire magnétisé plasma et rayonnement) et les rayons cosmiques de l’espace lointain. Notre magnétosphère joue le rôle de gardien, repoussant cette énergie indésirable qui est nocive pour la vie sur Terre, en piégeant la majeure partie à une distance sûre de la surface de la Terre dans des zones jumelles en forme de beignet appelées ceintures de Van Allen.

Impacts de la météo spatiale. Crédit : NOAA

Mais la magnétosphère terrestre n’est pas une défense parfaite. Les variations du vent solaire peuvent le perturber, entraînant une « météo spatiale » – des tempêtes géomagnétiques qui peuvent pénétrer dans notre atmosphère, menacer les vaisseaux spatiaux et les astronautes, perturber les systèmes de navigation et faire des ravages sur les réseaux électriques. Du côté positif, ces tempêtes produisent également les aurores spectaculaires de la Terre. Le vent solaire crée des fissures temporaires dans le bouclier, permettant à une certaine énergie de pénétrer quotidiennement à la surface de la Terre. Cependant, comme ces intrusions sont brèves, elles ne causent pas de problèmes importants.

Cette image d’une aurore colorée a été prise à Delta Junction, en Alaska, le 10 avril 2015. Toutes les aurores sont créées par des électrons énergétiques, qui pleuvent de la bulle magnétique de la Terre et interagissent avec des particules dans la haute atmosphère pour créer des lumières rougeoyantes qui s’étendent à travers Le ciel. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sebastian Saarloos

Parce que les forces qui génèrent le champ magnétique terrestre changent constamment, le champ lui-même est également en flux continu, sa force augmentant et diminuant avec le temps. Cela fait que l’emplacement des pôles magnétiques nord et sud de la Terre se déplace progressivement et change complètement d’emplacement environ tous les 300 000 ans. Vous pouvez apprendre pourquoi les changements et les changements de polarité du champ magnétique n’ont aucun effet sur le climat à l’échelle de la vie humaine et ne sont pas responsables du récent réchauffement observé sur Terre. ici.

Lancée en novembre 2013 par l’Agence spatiale européenne (ESA), la constellation à trois satellites Swarm fournit de nouvelles informations sur le fonctionnement du champ magnétique mondial de la Terre. Généré par le mouvement du fer en fusion dans le noyau terrestre, le champ magnétique protège notre planète du rayonnement cosmique et des particules chargées émises par notre Soleil. Il fournit également la base pour la navigation avec une boussole.
Sur la base des données de Swarm, l’image du haut montre la force moyenne du champ magnétique terrestre à la surface (mesurée en nanotesla) entre le 1er janvier et le 30 juin 2014. La deuxième image montre les changements dans ce champ au cours de la même période. Bien que les couleurs de la deuxième image soient tout aussi vives que la première, notez que les changements les plus importants ont été de plus ou moins 100 nanotesla dans un champ qui atteint 60 000 nanotesla. Crédit : Agence spatiale européenne/Université technique du Danemark (ESA/DTU Space)

Pour comprendre les forces qui animent le champ magnétique terrestre, il est utile de commencer par peler les quatre principales couches de « l’oignon » terrestre (la Terre solide) :

1. La croûte, où nous vivons, qui est d’environ 19 milles (31 kilomètres) de profondeur en moyenne sur terre et environ 3 milles (5 kilomètres) de profondeur au fond de l’océan.
2. Le manteau, un mélange chaud et visqueux de roche en fusion d’environ 1 800 milles (2 900 kilomètres) d’épaisseur.
3. Le noyau externe, d’environ 1 400 milles (2 250 kilomètres) d’épaisseur et composé de fer et de nickel en fusion.
4. Le noyau interne, une sphère solide d’environ 1 221 kilomètres d’épaisseur de fer et de nickel, à peu près aussi chaude que la surface du Soleil.

Structure interne de la Terre : noyau métallique solide dense, noyau externe métallique visqueux, manteau et croûte à base de silicate. Crédit : NASA

Presque tout le champ géomagnétique de la Terre provient du noyau externe fluide. Comme l’eau bouillante sur une cuisinière, les forces convectives (qui déplacent la chaleur d’un endroit à un autre, généralement à travers l’air ou l’eau) brassent constamment les métaux en fusion, qui tourbillonnent également dans des tourbillons entraînés par la rotation de la Terre. Au fur et à mesure que cette masse de métal en mouvement se déplace, elle génère des courants électriques sur des centaines de kilomètres de large et circulant à des milliers de kilomètres par heure pendant la rotation de la Terre. Ce mécanisme, qui est responsable du maintien du champ magnétique terrestre, est connu sous le nom de géodynamo.

Illustration du mécanisme dynamo qui crée le champ magnétique terrestre : les courants de convection du métal fluide dans le noyau externe de la Terre, entraînés par le flux de chaleur du noyau interne, organisés en rouleaux par la force de Coriolis, créent des courants électriques circulants, qui génèrent le champ magnétique. Crédit : Andrew Z. Colvin, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

A la surface de la Terre, le champ magnétique forme deux pôles (un dipôle). Les pôles magnétiques nord et sud ont des polarités opposées positives et négatives, comme un barreau magnétique. Les lignes invisibles du champ magnétique se déplacent dans une boucle fermée et continue, pénétrant dans la Terre au pôle magnétique nord et ressortant au pôle magnétique sud. Le vent solaire comprime la forme du champ du côté de la Terre face au Soleil et l’étire en une longue queue du côté de la nuit.

L’étude du magnétisme passé de la Terre est appelée paléomagnétisme. Les observations directes du champ magnétique remontent à quelques siècles seulement, les scientifiques s’appuient donc sur des preuves indirectes. Les minéraux magnétiques dans les anciennes roches volcaniques et sédimentaires non perturbées, les sédiments lacustres et marins, les coulées de lave et les artefacts archéologiques peuvent révéler la force et les directions du champ magnétique, lorsque des inversions des pôles magnétiques se sont produites, etc. En étudiant les preuves et les données mondiales des satellites et des observatoires géomagnétiques et en analysant l’évolution du champ magnétique à l’aide de modèles informatiques, les scientifiques peuvent construire une histoire de la façon dont le champ a changé au cours du temps géologique.

La Terre est entourée d’un système de champs magnétiques, appelé magnétosphère. La magnétosphère protège notre planète natale des rayonnements nocifs du soleil et des particules cosmiques, mais elle peut changer de forme en réponse à la météo spatiale entrante du Soleil. Crédit : Studio de visualisation scientifique de la NASA

Les dorsales médio-océaniques de la Terre, où se forment les plaques tectoniques, fournissent aux paléomagnétistes des données remontant à environ 160 millions d’années. Au fur et à mesure que la lave jaillit des crêtes, elle s’étend et se refroidit, et les minéraux riches en fer qu’elle contient s’alignent avec le champ géomagnétique, pointant vers le nord. Une fois que la lave se refroidit à environ 1 300 degrés Fahrenheit (700 degrés Celsius), la force et la direction du champ magnétique à ce moment-là deviennent « gelées » dans la roche. En échantillonnant et en datant radiométriquement la roche, cet enregistrement du champ magnétique peut être révélé.

Les études du champ magnétique terrestre ont révélé une grande partie de son histoire.

Les bandes magnétiques autour des dorsales médio-océaniques révèlent l’histoire du champ magnétique terrestre pendant des millions d’années. L’étude du magnétisme passé de la Terre est appelée paléomagnétisme. Crédit : USGS

Par exemple, nous savons qu’au cours des 200 dernières années, le champ magnétique s’est affaibli d’environ 9 % en moyenne mondiale. Cependant, des études paléomagnétiques montrent que le champ est en fait à son niveau le plus fort au cours des 100 000 dernières années et qu’il est deux fois plus intense que sa moyenne sur un million d’années.

Nous savons également qu’il existe un « point faible » bien connu dans la magnétosphère qui est présent toute l’année. Située au-dessus de l’Amérique du Sud et du sud de l’océan Atlantique, l’anomalie de l’Atlantique Sud (SAA) est une zone où le vent solaire pénètre plus près de la surface de la Terre. Il est créé par les influences combinées de la géodynamo et de l’inclinaison de l’axe magnétique de la Terre. Alors que les particules solaires chargées et les particules de rayons cosmiques au sein de la SAA peuvent faire frire l’électronique des engins spatiaux, elles n’affectent pas la vie à la surface de la Terre.

Nous savons que les positions des pôles magnétiques de la Terre sont en constante évolution. Depuis qu’il a été localisé pour la première fois avec précision par l’officier de la Royal Navy britannique et explorateur polaire Sir James Clark Ross en 1831, la position du pôle nord magnétique a progressivement dérivé vers le nord-nord-ouest de plus de 600 milles (1 100 kilomètres), et sa vitesse d’avancement a augmenté, passant de environ 10 miles (16 kilomètres) par an à environ 34 miles (55 kilomètres) par an.

Les pôles magnétiques de la Terre ne sont pas les mêmes que ses pôles géodésiques, que la plupart des gens connaissent mieux. Les emplacements des pôles géodésiques de la Terre sont déterminés par l’axe de rotation sur lequel tourne notre planète. Cet axe ne tourne pas uniformément, comme un globe sur votre bureau. Au lieu de cela, il vacille légèrement. Cela provoque un léger décalage de la position du pôle nord vrai au fil du temps. De nombreux processus à la surface de la Terre et à l’intérieur de la Terre contribuent à cette dérive, mais c’est principalement dû au mouvement de l’eau autour de la Terre. Depuis le début des observations, la position de l’axe de rotation de la Terre a dérivé vers l’Amérique du Nord d’environ 37 pieds (12 mètres), mais jamais plus d’environ 7 pouces (17 centimètres) en un an. Ces oscillations n’affectent pas notre vie quotidienne, mais elles doivent être prises en compte pour obtenir des résultats précis des systèmes mondiaux de navigation par satellite, des satellites d’observation de la Terre et des observatoires au sol. Les oscillations peuvent renseigner les scientifiques sur les conditions climatiques passées, mais elles sont une conséquence des changements dans le stockage de l’eau continentale et des calottes glaciaires au fil du temps, et non une cause de celles-ci.

Les pôles de pendage nord observés entre 1831 et 2007 sont des carrés jaunes. Les emplacements des pôles modélisés de 1590 à 2020 sont des cercles progressant du bleu au jaune. Crédit : NOAA/NCEI

Les pôles d’inclinaison sud observés entre 1903 et 2000 sont des carrés jaunes. Les emplacements des pôles modélisés de 1590 à 2020 sont des cercles progressant du bleu au jaune. Crédit : NOAA/NCEI

Les inversions de pôles sont de loin les changements les plus spectaculaires affectant la magnétosphère terrestre. Lors d’une inversion des pôles, les pôles magnétiques nord et sud de la Terre échangent leurs emplacements. Bien que cela puisse sembler un gros accord, les inversions de pôles sont en fait courantes dans l’histoire géologique de la Terre. Les enregistrements paléomagnétiques, y compris ceux révélant des variations de l’intensité du champ magnétique, nous disent que les pôles magnétiques de la Terre se sont inversés 183 fois au cours des 83 derniers millions d’années, et au moins plusieurs centaines de fois au cours des 160 derniers millions d’années. Les intervalles de temps entre les inversions ont considérablement fluctué, mais en moyenne environ 300 000 ans, le dernier ayant eu lieu il y a environ 780 000 ans. Les scientifiques ne savent pas ce qui entraîne la fréquence d’inversion des pôles, mais cela peut être dû aux processus de convection dans le manteau terrestre.

Positions du pôle magnétique nord de la Terre. Les pôles représentés sont des pôles d’immersion, définis comme des positions où la direction du champ magnétique est verticale. Les cercles rouges marquent les positions magnétiques du pôle nord telles que déterminées par l’observation directe ; les cercles bleus marquent les positions modélisées à l’aide du modèle GUFM (1590-1890) et du modèle IGRF-12 (1900-2020) par incréments d’un an. Pour les années 1890-1900, une interpolation fluide entre les deux modèles a été effectuée. Les emplacements modélisés après 2015 sont des projections. Crédit : Cavit, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Lors d’une inversion des pôles, le champ magnétique s’affaiblit, mais il ne disparaît pas complètement. La magnétosphère, ainsi que l’atmosphère terrestre, continuent de protéger notre planète des rayons cosmiques et des particules solaires chargées, bien qu’il puisse y avoir une petite quantité de rayonnement particulaire qui atteint la surface de la Terre. Le champ magnétique se brouille et de multiples pôles magnétiques peuvent émerger à des latitudes inattendues.

La Terre ne tourne pas toujours sur un axe passant par ses pôles. Au lieu de cela, il vacille de manière irrégulière au fil du temps, dérivant vers l’Amérique du Nord pendant la majeure partie du 20e siècle (flèche verte). Cette direction a radicalement changé en raison des changements de masse d’eau sur Terre. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Avant environ 2000, l’axe de rotation de la Terre dérivait vers le Canada (flèche verte, globe de gauche). Les scientifiques du JPL ont calculé l’effet des changements de masse d’eau dans différentes régions (globe central) en tirant la direction de la dérive vers l’est et en accélérant le taux (globe droit). Crédit : NASA/JPL-Caltech

La relation entre la masse d’eau continentale et l’oscillation est-ouest dans l’axe de rotation de la Terre. Les pertes d’eau de l’Eurasie correspondent à des oscillations vers l’est dans la direction générale de l’axe de rotation (en haut), et les gains eurasiens poussent l’axe de rotation vers l’ouest (en bas). Crédit : NASA/JPL-Caltech

Personne ne sait exactement quand la prochaine inversion des pôles peut se produire, mais les scientifiques savent qu’elle ne se produira pas du jour au lendemain. Au lieu de cela, ils se déroulent sur des centaines à des milliers d’années. Les scientifiques n’ont aucune raison de croire qu’un retournement est imminent.

Polarité géomagnétique au cours des 169 derniers millions d’années, jusqu’à la zone de calme jurassique. Les zones sombres indiquent des périodes de polarité normale, les zones claires indiquent une polarité inversée.

Enfin, il existe des « excursions géomagnétiques » : des changements de durée plus courte mais significatifs de l’intensité du champ magnétique qui durent de quelques siècles à quelques dizaines de milliers d’années. Les excursions se produisent environ 10 fois plus fréquemment que les inversions de pôles. Une excursion peut réorienter les pôles magnétiques de la Terre jusqu’à 45 degrés par rapport à leur position précédente et réduire la force du champ jusqu’à 20 %. Les événements d’excursion sont généralement régionaux plutôt que mondiaux. Il y a eu trois excursions importantes au cours des 70 000 dernières années : l’événement de la mer Norvège-Groenland il y a environ 64 500 ans, l’événement de Laschamps il y a 42 000 et 41 000 ans et l’événement du lac Mono il y a environ 34 500 ans.

Modèles de superordinateur du champ magnétique terrestre. Sur la gauche se trouve un champ magnétique dipolaire normal, typique des longues années entre les inversions de polarité. Sur la droite se trouve le genre de champ magnétique compliqué que la Terre a pendant le bouleversement d’un renversement. Crédit : Université de Californie, Santa Cruz/Gary Glatzmaier