Magnétisme Terrestre, et Théorie

Quelques rappels sur le champ magnétique de la Terre

1. De même qu'un aimant, le champ magnétique de la Terre est bipolaire.

2. Le pôle nord géographique de la Terre est un pôle sud magnétique.

3. L'axe des pôles magnétiques n'est pas aligné avec l'axe de rotation de la Terre.

4. A la surface de la Terre, l'intensité du champ magnétique est de l'ordre de 0,6 Gauss.

5. Pour produire ce champ bipolaire, il faut supposer que le noyau terrestre est parcouru, dans un plan perpendiculaire à l'axe des pôles, par une boucle de courant constant de l'ordre de 2 à 6 milliards d'ampères, selon les sources.

6. Les pôles magnétiques de la Terre subissent en permanence une dérive par rapport aux pôles géographiques.

7. Au cours des temps géologiques les pôles magnétiques se sont inversés à de nombreuses reprises.

1. Manteau supérieur (Sa viscosité est supérieure à celle du manteau inférieur). Il est formé de roches telle que la péridotite (olivine, pyroxène, et grenat).

2. Manteau inférieur (» 85 % du volume terrestre). Il se comporte comme un solide élastique. Il ne faut pas se fier aux écoulements de lave de certaines éruptions volcaniques. Toutefois il est moins "dur" que le Manteau supérieur.

3. Noyau fluide (Densité » 10). Liquide composé à 80% de fer et de près de 20% de nickel. Sa viscosité est de l'ordre de 1 (C'est celle de l'eau). Sa température est d'environ 4000°C. Cette énorme masse de metal en fusion pourrait être agitée par la convection, et aussi par les "Forces of Coriolis" générées par les mouvements de rotation et de précession de la terre.
   Ces écoulements de Ferro-Nickel liquide pourraient engendrer des courants électriques et, en conséquence, des champs magnétiques lesquels en retour renforceraient les courants électriques créant ainsi un effet d'auto entretien dans une dynamo. (Boucle de rétroaction positive).
   Le noyau liquide serait donc à l’origine du champ magnétique terrestre.

4. Graine solide, (Densité » 13). Elle aurait la même constitution que le noyau externe. Mais la pression est si importante que la graine est à l'état solide malgré sa température supérieure à 5000°C.
   La graine n'est pas strictement sphérique, elle présente une anisotropie, et sa surface est irrégulière. Nous y reviendrons.
   Graine et Noyau représenteraient environ 17 % du volume terrestre.

Le modèle proposé par les théoriciens n'est nullement celui de la dynamo, mais bien celui du Disque de Faraday, mais dans lequel le courant généré est réinjecté dans un solénoïde de telle sorte que l'on obtienne une rétroaction positive avec le champ magnétique initial.
Pour que cela puisse fonctionner, il faut que les conditions suivantes soient respectées:

1. Le champ réinjecté doit être orienté dans même sens que le champ initial.

2. Le gain de la boucle de réaction doit être:  G ≥ 1.

3. Les pertes par effet joule (Résistivité du magma terrestre) doivent être inférieures ou au plus égales à l'énergie réinjectée. C'est une condition impérative pour que la condition 2 puisse être respectée. Pour le Ferro-Nickel, à température ambiante la résistivité r=738.10^-9 ohm.mètre. Or si la température s'accroît, la résistivité augmente, de manière linéaire pour les métaux. En conséquence la Résistance ohmique du noyau externe à 4000°C ne semble pas pouvoir présenter des conditions favorables à l'absence de pertes par effet Joule. (N'oublions pas que l'intensité du courant dans le "solénoïde interne de la terre" doit être de l'ordre de 2 à 6 milliards d'ampères.
   Le calcul montre que cela devrait entraîner en moins d'un million d'années l'arrêt total de la rotation de la Terre sur elle même. Ce n'est pas ce que la géologie nous montre, et s'il y a bien un ralentissement de cette rotation, c'est pour une cause totalement différente (marées).
   Notons ici que nous feignons d'ignorer le changement de phase solide-liquide. Nous nous en expliquerons dans la page suivante.

Des simulations réalisées par certains géophysiciens permettent d'étudier la structure du champ magnétique interne de la Terre. On voit les lignes de forces déformées par la convection et par la rotation terrestre, leur évolution, et comment le champ pourrait s'inverser. Notons que le champ magnétique est à 90% dipolaire.
Le scénario semble donc assez proche de la réalité. La dérive des pôles magnétique s'explique très bien ainsi.

1. Problèmes:
   Malheureusement aucune simulations ne permet d'expliquer la permanence du champ magnétique au cours du temps. (4 milliards d'années).

2. Et les inversions brutales des pôles terrestres au cours des ères géologiques, observées par les archéologues et les géologues, restent inexpliquées.

3. Si le magnétisme terrestre n'était provoqué que par la convection, dans le noyau, alors le champ magnétique à sa surface devrait ressembler à celui qui est observé à la surface du Soleil. On doit donc invoquer les forces de Coriolis liées à la rotation terrestre.

Des expériences de laboratoire, ont été réalisées avec du sodium liquide, entre 120 et 160°C.
Le Point de fusion du Sodium = 97,81°C et le point d'ébullition = 882,95°C. Dans ces conditions de température, et compte tenu des dimensions de la cuve et de la résistivité, la résistance électrique est très proche de 0. A 20° C elle est de 4,2 μΩ.cm. Elle est donc sans effet.
Il s'agit des expériences VKS, lesquelles ont permis, semble t'il, d'expliquer le renversement de polarité du champ magnétique. Mais dans des conditions physiques (dimension, température et pression) qui sont d'un tout autre ordre de grandeur que celles qui règnent dans le noyau terrestre et surtout avec un métal dont la résistivité ne peut pas atteindre celle du Ferro-Nickel  à 4000°C.

Sachant que la résistivité d'un métal s'accroît linéairement en fonction de la température selon une loi en T^1/2, le calcul montre qu'elle serait, dans le cas de la terre, de l'ordre de 0,15 W pour une circonférence du noyau de l'ordre de 10.000 Km. Nous vous laissons le soin de faire le calcul de l'énergie dissipée (P_w=RI²), et donc du ralentissement de la Terre, avec un courant de 2 milliards d'ampères. (Notons toutefois qu'avec le changement de phase solide-liquide, cette loi pourrait ne pas être strictement respectée).
Les expérience VKS montrent que des phénomènes de turbulences peuvent expliquer le renversement de polarité aux conditions que la vitesse de rotation des disques soit suffisante et surtout qu'elle soit maintenue constante.

Donc:

• Le problème de la permanence du champ magnétique n'est pas résolu. Car adapter et maintenir de manière artificielle la vitesse de rotation de la Terre, c'est autre chose que de faire tourner les moteurs de 75 Watts dans VKS dans les sens et aux vitesses qui nous arrangent pour trouver ce que l'on souhaite !

• Le problème du renversement de polarité, s'il peut s'expliquer dans les expériences VKS, ne peut pas l'être pour la Terre. La résistivité du noyau et donc la résistance interne de celui-ci, sont d'un tout autre ordre de grandeur.

• Non seulement les expériences (VKS et autres) posent de multiples problèmes, mais les simulations qui ont été réalisées avec des ordinateurs, en posent bien d'autres. On ne parvient pas à faire fonctionner les simulations aux échelles de temps qui conviendraient:
  L’effet dynamo, un casse-tête non-linéaire E. Dormy.
  Numerical models of the geodynamo and observational constraints, Geochemistry - E. Dormy, J.P. Valet, V. Courtillot.

La Graine serait-elle un Supraconducteur ?

nous examinerons cette hypothèse dans la page suivante : Une Graine Supraconductrice.

1. Le Champ magnétique terrestre - Théorie & Modèles.

2. Le champ magnétique terrestre : observations et modèles - Emmanuel Dormy (CNRS)

3. Le champ magnétique terrestre

4. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011484/en/

5. Structure interne de la Terre

6. Noyau et controverses

7. La résistivité et la résistance des conducteurs

8. The VKS experiment: turbulent dynamical dynamos

9. http://www.psc.edu/science/glatzmaier.html