• II. La Terre, un aimant géant

    La boussole

     

    Nous savons qu’il existe un champ magnétique autour de la Terre. Pour en prouver l’existence, nous allons fabriquer une boussole, qui, sans ce champ, aussi appelé champ géomagnétique, n’aurait pas lieu d’être. En effet, la boussole utilise le champ géomagnétique pour orienter sa flèche en permanence vers le Nord (le Sud électromagnétique de la Terre).

     

    La fabrication de la boussole est très simple. Il ne suffit que: d’une bassine remplie d’eau, un aimant, un morceau de bouchon de liège, un cutter (ou couteau) et une épingle (ou tout autre petit objet en fer). En frottant le bout de l’épingle contre l’aimant, celui-ci va se doter d’un champ magnétique (phénomène explicité dans la première partie du TPE). Après en avoir frotté le bout, nous déposons l'épingle sur une rondelle de bouchon (que l’on a coupée avec le cutter pour avoir une sorte de disque en liège), qui va être déposé sur l’eau. En la posant ainsi, nous limitons les frottements et l’épingle peut ainsi s’orienter librement vers le Nord. Pour être sûrs que notre expérience réussisse, nous avons vérifié la direction avec une vraie boussole et nous avons constaté que l’expérience fut un succès, la pointe frottée et la flèche de la boussole pointant dans la même direction.

     

    Pour avoir un meilleur aperçu de l’expérience, une vidéo est disponible sur le lien suivant :

     

    Voir la video


    Il y a donc bien un champ magnétique autour de la Terre. Cependant, aider les voyageurs, sur terre ou en mer, n’est pas son seul rôle. Nous savons que sans le champ géomagnétique, la vie sur Terre serait impossible. Pourquoi ?

     

    La magnétosphère

     

    Le Soleil est la principale menace à la vie sur Terre. En effet, il envoie constamment des particules chargées dans toutes les directions, y compris celle de la Terre. Le rôle de la magnétosphère est donc d’agir comme un bouclier et dévier ces particules. Ce phénomène est appelé vent solaire, qui n’est en fait qu’un flux de plasma, constitué d’ions et d’électrons. La charge électrique vient du fait que des atomes d’hydrogènes sont ionisés à la surface du Soleil (environ 1 million de degré). Le plasma est ensuite éjecté à une très grande vitesse (entre 400 et 800 km/s). Comme il est affecté par le champ magnétique solaire, le vent solaire est entraîné dans sa course et suit le mouvement.

     

    De plus, la forme de la magnétosphère est modifiée par le vent solaire. Elle est compressée du côté diurne alors qu'elle s'étend à de grandes distances du côté nocturne. Le vent solaire influe aussi sur nos appareils électroniques en perturbant la transmission des signaux électromagnétiques, comme la télévision.

     

    Voilà pourquoi la magnétosphère est si importante dans notre vie, car sans elle, nous n’existerons pas.

     

     

    Origine du champ géomagnétique

     

    Il est admis qu’au centre du globe se trouve un noyau métallique de 3500 km de rayon, essentiellement constitué de fer. Celui-ci comporte une partie centrale solide (noyau interne) et une partie externe fluide (noyau externe). Dans ce noyau, la température est voisine de 6000°C et la pression vaut plusieurs millions d’atmosphères.

    Pour expliquer l’existence du champ magnétique terrestre, on imagine des courants électriques provoqués par les mouvements de convection (mouvement causé par un changement de température qui influe sur la masse volumique d'un fluide) dans le noyau externe, fluide et conducteur.

    Ceux-ci contribuent au champ magnétique terrestre. Le phénomène s’auto-entretient, car la rotation de la Terre a pour conséquence le déplacement du fluide conducteur dans le champ magnétique terrestre. Il en résulte des courants induits qui créent à leur tour un champ magnétique.

     

    Variations du champ magnétique à la surface de la Terre

     

    Les caractéristiques du champ magnétique varient d’un point à l’autre de la Terre. Il existe des cartes d’égales déclinaisons magnétiques qui permettent de déterminer la direction du nord géographique, donc de s’orienter avec une boussole. Il existe de même des cartes d’égales inclinaisons.

     

    Variations du champ magnétique au cours du temps

     

    Les caractéristiques du champ magnétique terrestre ne demeurent pas constantes au cours du temps. Les relevés de sa valeur et de sa direction (réalisés depuis le milieu du XVIe siècle en différents points de la surface du globe pour l’établissement des cartes marines) font apparaître d’importantes variations.

     

    Un fait surprenant est l’inversion constatée, au cours des temps géologiques, du sens du champ magnétique terrestre, lors de l’étude des couches de laves volcaniques solidifiées qui gardent la mémoire de l’orientation de celui-ci. En-effet, lors des éruptions volcaniques, les laves ferromagnetiques en fusion perdent leur aimantation : leurs particules qui se comportent comme des petits aimants s’orientent dans le sens du champ magnétique terrestre de l’époque. En se refroidissant, ces laves fossilisent le champ magnétique existant. L’ensemble des observations montre que le champ magnétique terrestre s’est inversé de nombreuses fois. Si les périodes où l’orientation du champ reste stable ont des durées très longues, les phases de renversement sont beaucoup plus rapides et se succèdent de façon complètement aléatoire. Le paléomagnétisme (étude de l’aimantation des roches) est devenu aujourd’hui un puissant moyen de datation et d’étude des roches.

     

     

    Le paléomagnétisme

    Le paléomagnétisme est né vers 1959, avec le physicien anglais Patrick Blackett, prix Nobel en 1948, et ses collaborateurs Keith Runcorn et Ted Irving. Ils ont utilisé un appareil, du nom de magnétomètre astatique, qui est capable de mesurer des champs magnétiques très faibles et ont ainsi pu l’utiliser pour mesurer la mémoire magnétique des roches. Ils se sont rendu compte que grâce à cette mémoire, ils pouvaient déterminer la position des pôles magnétiques pour diverses périodes géologiques à partir de roches dont l'âge est connu et ainsi établir les positions des continents auparavant.

    On sait que les roches qui contiennent des minéraux ferrugineux enregistrent le magnétisme terrestre au moment de leur cristallisation. Elles enregistrent alors le sens de la polarité et elles gardent aussi la mémoire de l'orientation par rapport au pôle magnétique, de la même façon que l'aiguille d'une boussole s'oriente vers le pôle magnétique où que l'on se trouve sur Terre. On peut donc, grâce au sens des minéraux ferrugineux, et seulement si on étudie des roche de la même époque, replacer ce territoire par rapport au pôle magnétique. C'est ainsi qu'on réussit à reconstruire des cartes de la position des continents à diverses époques géologiques.

     

     


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