Des cher­cheurs gre­no­blois sont par­ve­nus à modé­li­ser les tur­bu­lences dans le noyau externe de la Terre

Des cher­cheurs gre­no­blois sont par­ve­nus à modé­li­ser les tur­bu­lences dans le noyau externe de la Terre

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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 nul (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

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.

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