Le champ magnétique terrestre évolue : le pôle nord magnétique qui se déplace de plusieurs dizaines de kilomètres par an en est l’illustration. La manifestation la plus spectaculaire, l’inversion des pôles magnétiques qui s’est produite à plusieurs reprises dans l’histoire de la Terre reste mystérieuse.

De plus, des observations (au sol et depuis l’espace) révèlent une riche dynamique, dont la majeure partie est d’origine interne, c’est-à-dire produite par l’effet dynamo des mouvements de convection du fer liquide dans le noyau, 3 000 km sous nos pieds.

La connaissance précise du champ magnétique et de sa variation temporelle constitue un enjeu majeur dans de nombreux domaines d’applications : aéronautique, spatial mais aussi guidage de forages profonds.

Pour améliorer les prévisions et notre compréhension, nous avons recours à des simulations numériques de la géodynamo, c’est-à-dire que nous résolvons les équations fondamentales de la dynamique des fluides couplées à celles de l’électro- magnétisme, dans une sphère en rotation rapide qui représente le noyau terrestre.

Grâce à un important travail d’optimisation et de parallélisation du code informatique, nous sommes parvenus pour la première fois à simuler le noyau terrestre turbulent en haute définition (voir Schaeffer+ GJI 2017). Ces simulations présentent de nombreuses caractéristiques également observées pour le champ magnétique terrestre, ou prédites par des théories simplifiées de la géodynamo, le tout dans une même simulation haute définition.

En particulier, notre simulation présente une dérive vers l’ouest du champ magné- tique associée à une circulation de grande échelle (3 000 km), comme pour la Terre. Ces tourbillons à grande échelle sont largement alignés avec l’axe de rotation de la planète, confirmant une hypothèse qui a déjà été utilisée dans d’autres études.

De plus, vers les pôles, des tornades géantes agitent le noyau et sont associées à un fort champ magnétique. Ces tornades magnétiques pourraient jouer un rôle dans les inversions des pôles magnétiques.

CHAMP MAGNÉTIQUE RADIAL À LA SURFACE DU NOYAU MONTRANT LA DOMINANCE DU DIPOLE (GLOBALEMENT OR AU NORD, BLEU AU SUD) AINSI QUE LES PETITES STRUCTURES ET LES TACHES DE FLUX INVERSES.

 

VISUALISATION DES VITESSE DU FER LIQUIDE DANS LE NOYAU (JAUNE : RAPIDE, NOIR : LENT). À LA SURFACE, LA GRANDE ZONE BLEUE MATÉRIALISE LE SOMMET DE LA TORNADE MAGNÉTIQUE (GRANDE VITESSE VERS L’OUEST).

Nos simulations présentent également un champ magnétique très hétérogène : même s’il a une intensité moyenne forte - comme c’est le cas dans le noyau terrestre - des zones où le champ est très fort alternent avec des zones où le champ est presque nul, allant de pair avec une dynamique favorisant les tourbillons relativement grands (champ magnétique fort) ou petits (champ faible). Ces simulations, focalisées sur la dynamique à l’échelle de l’année à la centaine d’années, vont servir de référence à d’autres études sur le champ terrestre actuel et son évolution.

D’autres simulations sont par contre nécessaires pour comprendre les inversions du champ magnétique terrestre. Le challenge est important car il faut parvenir à simuler le noyau terrestre de manière réaliste sur des temps géologiques (la dernière inversion date d’il y a 780 000 ans).