Le champ magnétique terrestre sous la "loupe de la simulation"

En novembre 2013, l'Agence spatiale européenne (ESA) a envoyé dans l'espace trois satellites qui, depuis, mesurent avec précision le champ magnétique terrestre. Car le champ magnétique terrestre continue de poser des énigmes à la science. Jusqu'à présent, on n'a par exemple pas encore élucidé le mécanisme qui conduit à l'inversion du champ magnétique terrestre. Les scientifiques de l'ETH Andrew Jackson et Andrey Sheyko ainsi que Chris Finlay de l'Université technique du Danemark ont pu identifier un mécanisme possible gr?ce à des simulations sur le superordinateur Piz Daint. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue spécialisée "Nature".

Les simulations, les mesures sismiques et les propriétés physiques des minéraux - à partir de ces derniers, on sait comment l'intérieur profond de la Terre est constitué - sont jusqu'à présent la seule possibilité d'étudier l'intérieur de la Terre et la formation du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre présente un intérêt particulier pour la recherche en tant que bouclier contre les rayons cosmiques ou en tant que système de navigation pour les oiseaux par exemple.

Le mouvement de la masse fondue génère un champ magnétique

D'après les connaissances actuelles, ce que l'on appelle la géodynamo est très probablement généré par des processus dans le noyau interne et externe de la Terre. Alors que le noyau interne est solide et se compose principalement de fer et de nickel, le noyau externe est liquide et contient, outre du fer et du nickel, des éléments encore plus légers. Le liquide est si chaud que les métaux qu'il contient ne peuvent pas être eux-mêmes magnétiques, mais conduisent l'électricité et la chaleur. Comme les éléments plus lourds du noyau externe liquide descendent vers le noyau interne et s'y solidifient, il se produit une poussée des éléments plus légers.

Ce processus et la différence de température aux limites des noyaux interne et externe ainsi que par rapport au manteau terrestre, doivent provoquer des bouleversements (rouleaux de convection) dans le noyau liquide. Parallèlement, la rotation de la Terre exerce la force de Coriolis. Elle provoque dans le métal en fusion des tourbillons perpendiculaires aux rouleaux de convection, qui sont orientés parallèlement à l'axe de rotation de la Terre. Cela crée un courant d'induction qui, au final, donne naissance au champ magnétique d'un dip?le (p?le nord et p?le sud) ainsi qu'à des composantes multipolaires plus faibles.

Deux propriétés matérielles sont décisives pour le champ magnétique terrestre et son inversion : d'une part, la viscosité du noyau terrestre liquide. Elle détermine la vitesse à laquelle les courants peuvent s'arrêter dans le noyau terrestre. D'autre part, la conductivité électrique, qui détermine la vitesse à laquelle le champ magnétique s'éteint. Dans les simulations précédentes, les deux se produisaient à la même vitesse.

"Dans notre simulation, nous avons fait en sorte que le champ magnétique s'éteigne vingt fois plus vite que les courants dans le noyau liquide", explique le professeur de l'ETH Andrew Jackson, coauteur de l'étude. Les scientifiques ont ainsi réduit le nombre sans dimension qui décrit le rapport entre les deux propriétés du matériau. Ils se sont ainsi rapprochés de conditions similaires à celles de la Terre par rapport aux simulations précédentes.

Le but de la simulation était en fait d'étudier la stabilité du champ magnétique. Mais au bout d'un certain temps, une inversion du champ s'est produite périodiquement, rapporte Jackson.

L'inversion du champ observée ne pourrait s'expliquer que par l'influence de ce que l'on appelle les ondes dynamiques. "C'est la première simulation dans laquelle une inversion de champ apparemment causée par des ondes dynamiques a pu être réalisée dans des conditions limites non slip", explique Sheyko. Les "non slip" sont des conditions limites proches de la réalité qu'un fluide soumis à la friction subit lorsqu'il atteint une limite, dans ce cas la coque du noyau externe.

Les ondes dynamiques sont de fortes perturbations globales du champ magnétique qui se propage à partir du noyau. Leur existence a été postulée en 1955 pour expliquer l'inversion périodique du champ dans le Soleil, qui se produit tous les onze ans. Bien que la Terre et son champ magnétique se distinguent nettement du Soleil, selon les derniers résultats de recherche, les ondes dynamo pourraient également jouer un r?le dans l'inversion du champ magnétique terrestre.

Conditions idéalisées

La simulation tridimensionnelle de ces processus extrêmement complexes nécessite des superordinateurs extrêmement puissants. Et même avec ceux-ci, les conditions similaires à celles de la Terre ne peuvent être calculées que de manière approximative. Comme base de leur simulation et modèle de départ, l'équipe de chercheurs a utilisé un modèle dans lequel les chercheurs supposaient en 2009 une faible viscosité et, depuis peu, un flux de chaleur constant à la surface du noyau terrestre.

Celui-ci avait permis pour la première fois de simuler un champ magnétique suffisamment puissant et stable dans des conditions similaires à celles de la Terre. Les chercheurs ont maintenant complété ce modèle avec des conditions idéalisées, en supposant par exemple que la planète semblable à la Terre est sphérique pour la simulation. En même temps, ils se sont rapprochés de conditions similaires à celles de la Terre en faisant en sorte que le champ magnétique et l'écoulement dans le noyau liquide se dégradent à des vitesses différentes. Ainsi, avec quatre millions d'heures de CPU, les chercheurs ont pu réaliser à Piz Daint une simulation de dynamo planétaire avec une faible viscosité, une vitesse de rotation élevée, une propagation du champ magnétique et une durée d'inversion de la polarité jamais atteintes auparavant.

Lors de la simulation, un fort champ magnétique bipolaire s'est développé et s'est périodiquement inversé en l'espace de quelques milliers d'années. Dans la réalité, le champ magnétique terrestre s'est cependant toujours inversé de manière irrégulière plusieurs centaines de fois, en moyenne tous les 500'000 ans au cours des derniers millions d'années. Comme il ne s'inverse pas périodiquement et qu'il ne possède pas les mêmes symétries que le champ magnétique simulé, il se distingue nettement du champ dipolaire simulé. "La physique sur laquelle repose la simulation correspond certes à celle de la Terre", explique Andrew Jackson. Mais comme on est encore à des ordres de grandeur des conditions réelles sur et dans la Terre, le modèle ne fournit pour l'instant qu'une indication sur le fait que les ondes dynamiques pourraient jouer un r?le dans l'inversion du champ magnétique terrestre.