Des chercheurs grenoblois et leurs partenaires parisiens ont réussi à modéliser avec une précision jusqu’ici inégalée, les mouvements fluides au sein du noyau externe de la Terre, à l’origine du champ magnétique terrestre.

Pour la première fois, des chercheurs du Centre national de recherche scientifique (CNRS) de l’Institut des sciences de la Terre de Grenoble (ISTerre) et leurs collègues de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) sont parvenus à modéliser jusqu’aux turbulences (mouvements aléatoires) qui accompagnent le déplacement global du métal liquide en circulation dans la couche externe du noyau terrestre, sous l’impulsion des variations de la température interne.

En rouge, des panaches de liquides chauds s’élèvent. En bleu, des masses refroidies plus lourdes descendent jusqu’à effleurer le noyau interne, la graine solide de la Terre. © Nathanaël Schaeffer

Les turbulences amplifient le champ magnétique terrestre

Cette précision de la représentation des mouvements du mélange fondu de fer et de nickel à plus de 3000 kilomètres sous nos pieds, permet de mieux appréhender le champ magnétique terrestre*. Ce dernier est en effet induit par la circulation souterraine du fluide dans le noyau externe de la Terre et amplifié par les turbulences. Ce que les chercheurs ont démontré en 2014 lors d’expériences de simulation en laboratoire.

Une compréhension fine des ressorts des anomalies magnétiques

Enrichi par ces nouvelles données, le modèle numérique qui associe les phénomènes magnétiques observables en surface à la dynamique profonde du noyau désormais décrite avec une précision inédite, permet d’éclairer les différentes anomalies magnétiques observables en surface. Par exemple, un champ localement plus fort ou plus faible qu’ailleurs ou bien une inversion magnétique à l’échelle continentale.

Photo de gauche : visualisation du champ magnétique radial à la surface du noyau qui est positif (en violet) et négatif (en vert). Son intensité varie à l’intérieur de nulle (en noir) à maximale (en jaune).
Photo de droite : vitesse des déplacements du métal liquide dans et à la surface du noyau, induits par les variations de la température interne. En bleu : déplacement vers l’ouest. En rouge : déplacement vers l’est.
La grande zone bleue à la surface du noyau externe représente une tornade géante de métal liquide de 1 200 km de rayon, située à un pôle, qui agite le noyau et est associée à un fort champ magnétique (comme observé en violet sur la photo de gauche). © Nathanaël Schaeffer

Pour relever ce défi numérique, les scientifiques ont réalisé un important travail d’optimisation du code informatique et ont dû faire appel aux capacités de calcul exceptionnelles des supercalculateurs du Grand équipement national de calcul intensif (Genci), dont 16 000 processeurs sur les 80 000 existants ont été utilisés.

Mieux comprendre l’inversion des pôles magnétiques

Le modèle numérique ainsi optimisé permet également de mieux prédire et caractériser les changements faibles ou d’ampleur du champ magnétique terrestre à venir. Les scientifiques ne comptent pas s’arrêter à des prévisions sur quelques centaines d’années.

La prochaine étape ? Modéliser les changements géomagnétiques à l’échelle des temps géologiques, afin de mieux comprendre l’inversion des pôles magnétiques. Autrement dit, quand le nord magnétique passe au sud et vice versa. Le phénomène s’est déjà produit 300 fois au cours de ces derniers 200 millions d’années. La dernière inversion remonte à 780 000 ans. La prochaine occurrence est attendue d’ici 2000 ans.

Au delà de la connaissance pure, l’enjeu de la prévision des changements géomagnétiques est majeur. Le champ magnétique terrestre n’est pas seulement utile aux oiseaux migrateurs entreprenant avant l’hiver leur long voyage vers des contrées plus clémentes. Également indispensable aux hommes, il permet l’orientation pédestre, la navigation aérienne, maritime et spatiale ainsi que le guidage des forages profonds. Mieux, il protège tout simplement la vie sur Terre en déviant le vent solaire, cette pluie battante d’ions et d’électrons éjectés avec plus ou moins de vitesse et de chaleur par le soleil.

Véronique Magnin

• * Comme de nombreuses planètes et la plupart des étoiles, la Terre produit son propre champ magnétique, essentiellement par effet dynamo, c’est-à-dire grâce aux mouvements du métal liquide conducteur d’électricité du noyau externe qui entoure la graine de métal solide centrale autrement appelée noyau interne.