Mise à jour d’ugence des GPS : le pôle nord magnétique de la Terre se déplace désormais de manière erratique

Atlantico : Selon un article publié dans Nature, les pôles magnétiques se déplacent, ce qui pourrait avoir un impact sur les systèmes de navigation. Comment les pôles se déplacent-ils et le font-ils tous les deux de la même manière ?

Gauthier Hulot : Pour commencer, on parle des pôles magnétiques, pas des pôles géographiques. Les pôles magnétiques sont les endroits à la surface de la Terre où le champ magnétique est vertical. Il y en a un dans l'hémisphère Sud, où le champ magnétique entre verticalement, et un dans l'hémisphère Nord, où il sort.

Le mouvement des pôles reflète le changement du champ magnétique produit par le noyau de la Terre, c'est un champ qui évolue au cours du temps pour des raisons associées à la dynamique produite dans le noyau. Chaque pôle magnétique est sensible à ce qui se passe dans son hémisphère et les événements des deux hémisphères ne sont pas directement reliés. Donc ils ne se déplacent pas de la même manière, tout comme l'évolution du champ magnétique est différente d'un hémisphère à l'autre.

Les pôles se déplacent parce que le champ magnétique évolue selon la façon dont il est engendré dans le noyau de la Terre, donc l'endroit où il est à la verticale se déplace. Le noyau de la Terre est très chaud depuis la formation de la Terre, il se refroidit lentement par convection, un peu comme un thé qui se refroidit par le haut, donc ça engendre des mouvements dans la partie externe liquide du noyau. D'autre part, le noyau est constitué essentiellement de fer et de nickel, un métal qui est un bon conducteur électrique. Or les déplacements de grande échelle et de grande vitesse de ce conducteur peuvent permettre l'entretien de courants électriques et donc de champ magnétique. Quand vous avez une convection vigoureuse comme celle du noyau de la Terre, cela peut entretenir des courants électriques et un champ magnétique, dont les lignes de champ arrivent à la surface de la Terre.

Comme le champ magnétique est lié à des mouvements, il est en perpétuelle évolution, et cette évolution reflète les mouvements produits dans le noyau de la Terre. Ils sont de l'ordre de 10km par an, ce sont des mouvements dans le noyau liquide, rapides à l'échelle géologique bien que lents à l'échelle humaine. Les lignes de champ sortent du noyau et sont entraînées par le mouvement, donc les pôles à la surface de la Terre sont susceptibles de bouger d'environ 10km par an.   

Alexandre Fournier : Le champ magnétique terrestre est principalement créé et entretenu par le mouvement du fer liquide dans le noyau externe de la Terre, à environ 3000 km de profondeur : un gigantesque effet dynamo convertit l’énergie mécanique de l’écoulement de métal liquide en énergie électromagnétique, celle du champ magnétique terrestre. La dynamo terrestre est un système dynamique : les variations spatio-temporelles des courants de métal liquide engendrent des variations spatio-temporelles des propriétés du champ magnétiques. La position des pôles magnétiques est une de ces propriétés variables. Les pôles sont les deux points à la surface de la Terre ou le champ magnétique est strictement vertical (dirigé vers le bas pour le pôle magnétique nord, et vers le haut pour le pôle magnétique sud).

Ces deux pôles sont proches des pôles géographiques ; leur position est principalement sensible à la circulation de métal liquide dans les hautes latitudes de l’hémisphère nord du noyau pour le pôle magnétique nord et à la circulation dans les hautes latitudes de l’hémisphère sud pour le pôle magnétique sud. Ces deux circulations ne sont pas nécessairement symétriques, et les deux pôles magnétiques n’ont pas de raison de se déplacer exactement de la même manière (même si la physique à l’origine de leur déplacement est la même).

Ainsi, le pôle magnétique nord a parcouru plus de 1200 km depuis 1997, alors que le pôle magnétique sud n’a parcouru que 140 km sur la même période. Ces déplacements différents sont illustrés sur les cartes ci-dessous.

Copyright A. Fournier / IPGP

Durant les 40 dernières années, le pôle Nord a subitement accéléré ses déplacements, à raison de 50km par an depuis 1980. Connaît-on la raison de ce déplacement inhabituellement rapide ?

Alexandre Fournier : Les géophysiciens peuvent estimer la circulation de fer liquide à l’origine des fluctuations du champ magnétique terrestre. Même si cette estimation est assortie d’incertitudes substantielles, différentes études ont souligné ces dernières années l’intensification et le développement d’un courant-jet dans les hautes latitudes de l’hémisphère nord du noyau terrestre. Ce courant (dont la vitesse est actuellement de l’ordre de 40 km/an) explique une bonne partie de l’accélération du mouvement du pôle.

Gauthier Hulot : Il est lié à la dynamique qui se produit dans l'hémisphère nord, dynamique un peu particulière produite à la verticale des pôles géographiques. La Terre tourne sur elle-même, assez rapidement, ce qui organise les mouvements. C'est ainsi que se forment des cyclones et anticyclones, phénomènes que l'on retrouve dans le noyau. La dynamique du noyau va donc être sensible à la rotation de la Terre, c'est pourquoi les pôles magnétiques sont en général plutôt proche des pôles géographiques.

De plus, le cœur du noyau est constitué d'une graine, la partie cristallisée du noyau liquide, puisque le noyau se refroidit depuis que la Terre s'est formée. On peut ajuster un cylindre nord-sud autour de cette graine, et la dynamique à l'intérieur de ce cylindre sera un peu différente, surtout à sa frontière. En ce moment il y a une dynamique plus importante à la frontière de ce cylindre, ce qui explique l'accélération du pôle Nord magnétique.

L'hémisphère Sud, de son côté, a une dynamique plus calme, et son pôle s'est nettement moins déplacé que le pôle Nord, qui est allé du nord canadien au pôle géographique nord.

Quelles sont les conséquences de cette accélération ?

Gauthier Hulot : On a besoin d'une cartographie précise du champ magnétique pour des applications militaires et de navigation, c'est pourquoi les cartes sont normalement construites tous les cinq ans avec une prédiction d'évolution, mais cette prédiction s'est révélée fausse à cause d'une dynamique plus rapide et difficile à prévoir. Il a donc fallu refaire un modèle anticipé, deux ans plus tôt que prévu.

Alexandre Fournier : Le champ magnétique est utile à la navigation et à l’orientation. Sous l’égide de l’association internationale de géomagnétisme et d’aéronomie (IAGA), la communauté scientifique produit un modèle de référence tous les 5 ans, the International Geomagnetic Reference Field (IGRF), à des fins scientifiques, mais également et surtout pratiques. Le modèle IGRF est utilisé par des organisations commerciales ou des individus ayant besoin de s’orienter correctement. Si les propriétés du champ changent de façon substantielle en 5 ans, suivant une manière ne pouvant être décrite fidèlement par une simple extrapolation linéaire, alors la mise à jour du modèle doit être plus fréquente. C’est cette observation qui a conduit récemment nos collègues américains à anticiper la mise à jour de leur World Magnetic Model.

Ce type d’accélération est à classer dans la catégorie des fluctuations normales de la dynamo terrestre, à opposer aux fluctuations extrêmes se traduisant par une inversion des pôles magnétiques. Une inversion s’accompagne d’une diminution globale de l’intensité du champ magnétique, et donc d’une protection moindre face au rayonnement cosmique. 

Comment peut-on éviter que les conséquences de cette bizarrerie deviennent trop fâcheuses ?

Gauthier Hulot : On sait tenir compte de l'évolution du champ magnétique, des stations de différents pays et sur toute la surface de la Terre, ainsi que des satellites, l'observent systématiquement. La France a une vingtaine d'observatoire à travers le monde. C'est un élément d'orientation très utilisé, à condition de connaître la cartographie, puisque ce qui nous intéresse ce n'est pas le champ magnétique mais la direction des points cardinaux. On l'utilise parce qu'il est toujours là, quel que soit le temps, et qu'on ne peut pas le brouiller. Tous les avions et navires possèdent un compas qui donne la direction si jamais tout tombe en panne. Les informations sont donc régulièrement mises à jour pour des applications militaires, de navigation, de guidage des missiles, mais aussi de forage car dans le sol, rien ne nous permet de nous orienter à part la verticale et le champ magnétique. 

Alexandre Fournier : Ce n’est pas une bizarrerie, mais simplement la manifestation du caractère dynamique de la dynamo terrestre, dans un registre somme toute normal de fluctuations. Nous ne pouvons rien y faire : nous n’avons bien entendu pas les moyens d’agir sur la circulation du noyau terrestre. Freiner le courant-jet dont nous parlions précédemment reviendrait à arrêter 100 millions de TGV lancés à grande vitesse.