Le champ magnétique terrestre est créé par effet dynamo par les courants qui circulent dans la partie liquide du noyau fer-nickel de la Terre.

Une dynamo est une machine électrique qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique en utilisant l'effet d'induction électromagnétique. La notion d'induction électromagnétique est très générale. Nous allons nous intéresser à un cas très simple : le déplacement d'un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique d'amplitude constante. Considérons un électron de charge q. Soit v sa vitesse et B l'intensité du champ magnétique. Cet électron est soumis à la force de Lorentz :

Cette force induit une force électromotrice E dont l'effet dépend de l'orientation du vecteur vitesse de déplacement par rapport au champ B. Ce phénomène est illustré par l'expérience du disque de Faraday. Dans cette expérience, on entraîne un disque placé dans un champ électromagnétique perpendiculaire au disque. Un courant circule dans le circuit tel qu'il est représenté sur le schéma ci-dessous. Soit a le rayon du disque, Omega la vitesse de rotation, la force électromotrice induite s'écrit :

Or, un courant qui circule dans un conducteur en déplacement engendre un champ magnétique induit. Ce champ va renforcer ou affaiblir le champ B en fonction du sens de rotation du disque. Si le sens de rotation est choisi de façon convenable, le champ et le courant augmentent de conserve jusqu'à atteindre un régime permanent. La puissance dissipée dans le circuit électrique est fournie par le moteur qui entraîne le disque.

Remarque : la « dynamo » est fondée sur ce principe. Le disque est remplacé par un bobinage entrainé en rotation dans un circuit ferromagnétique. L'aimantation rémanente de ce circuit fait naître un courant qui renforce le champ magnétique dans le circuit ferromagnétique. Le courant augmente avec le champ jusqu'à atteindre un point d'équilibre défini par la loi d'Ohm.

Champ magnétique terrestre et cristallisation du coeur

Revenons à notre sujet de départ : le champ magnétique terrestre. C'est la rotation de la Terre autour de l'axe des pôles qui joue le rôle de la machine qui entraîne le disque. Autrement dit, c'est le moment cinétique en rotation de la Terre qui paie la facture énergétique. Mais qu'est-ce qui joue le rôle du disque conducteur ? Là, ça se corse un peu...

La Terre est constituée d'un noyau fer-nickel entouré par un manteau de roches (principalement des silicates). Ce noyau est composé d'une partie centrale solide et d'une couche périphérique fer-nickel en fusion. La partie centrale est la plus chaude (le coeur solide). On estime la température à l'interface avec le coeur liquide à 5000 K. L'ensemble se refroidit lentement. La taille de la partie centrale croît inexorablement. Dans le processus de cristallisation du fer et du nickel qui est à l'oeuvre à l'interface entre le coeur solide et le noyau externe liquide, les éléments plus légers sont exsolvés. On dit qu'ils précipitent (au sens chimique de ce terme : ils ne se dissolvent pas dans le noyau externe qui est saturé). Ils ont tendance à remonter vers le manteau par le simple effet de la poussée d'Archimède. Ils induisent de ce fait un mécanisme de convexion dans le noyau liquide. Ce mouvement de convexion est entretenu par l'énergie gravitationnelle libérée par la remontée des éléments légers et par l'énergie dissipée par les éléments radioactifs présents dans le coeur.

Où l'on parle de la force de Coriolis...

Des mouvements de convexion, donc... Inutile de dire que le noyau fer-nickel liquide est très conducteur. Le courant circule donc aisément dans ce noyau. Encore faut-il qu'il ne circule pas dans tous les sens, sinon le champ magnétique induit serait nul. C'est là qu'intervient la force de Coriolis. La force de Coriolis contraint les mouvements de convexion à s'organiser en cyclones ou en anticyclones dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe de rotation de la Terre (il y a, en plus, d'autres effets parasites qui font que l'alignement n'est pas parfait... ni constant dans le temps). Dès lors que les mouvements de convexion sont établis, la circulation des électrons libres qui tournent en boucle dans les tourbillons génère un champ magnétique qui, en retour, stimule la circulation du courant. C'est le fameux effet dynamo.

Le champ généré n'est pas un dipôle parfait, loin de là. C'est plutôt un multipôle : il faut tenir compte de toutes les inhomogénéités du manteau et surtout de la croûte terrestre (avec en particulier la répartition entre océans et terres immergées). Comme je l'ai dit, il n'est pas complètement aligné avec l'axe des pôles géographiques. Comme le circuit magnétique global a une inertie énorme (mécanique... et magnétique : le flux ne peut pas changer instantanément), l'orientation de l'axe varie lentement et elle oscille autour d'un point d'équilibre.

Inversion des pôles

Par ailleurs, cet effet dynamo n'est cependant pas complètement stable. Les mouvements de convexion sont par nature turbulents. Le niveau du champ magnétique terrestre varie sans cesse (avec une constante de temps à l'échelle géologique). Il a connu dans le passé des périodes au cours desquelles il disparaissait presque complètement avant de s'inverser et de se renforcer dans le sens opposé. Notre pôle Nord était, il y a plusieurs centaines de millions d'années, un pôle Sud magnétique ! On estime que le champ magnétique s'est inversé en moyenne tous les 250 millions d'années depuis qu'il existe (les sédiments du manteau gardent la trace de son orientation). Le cycle actuel a dépassé depuis longtemps cette durée et il se pourrait donc qu'une inversion des pôles soit imminente. Disons... d'ici quelques millions d'années.

La disparition de champ magnétique...

C'est la convexion dans le noyau liquide qui entretient le champ magnétique terrestre et celle-ci est entretenue par la cristallisation du fer à l'interface entre le coeur interne solide et le coeur externe liquide. Lorsque le noyau sera en grande partie solidifié le mécanisme de convexion s'atténuera avant de disparaître. Le champ magnétique disparaitra donc lui aussi. Quel sera l'effet sur la vie sur Terre ? Dévastateur. Le champ magnétique qui enveloppe la Terre crée une sorte de barrière qui nous protège du vent solaire, la magnétosphère. (Il faut cependant noter que l'atmosphère terrestre bloque également une partie des particules ionisées à haute énergie qui présentent un danger pour les organismes vivants.) A terme le vent solaire pourrait aussi dépouiller la Terre de son atmosphère en communiquant aux molécules de l'air une vitesse supérieure à la vitesse de libération.

Au demeurant, la fin de la convexion signifiera que la Terre s'est considérablement refroidie et qu'elle s'apprête à connaître le même sort que Mars : devenir une planète gelée à coeur.