La dynamo terrestre, un défi centenaire

D’où provient le champ magnétique de la Terre ? Il y a cent ans, Joseph Larmor proposait une réponse : un effet dynamo dû aux mouvements du fer liquide au sein du noyau terrestre. En dépit des difficultés mathématiques et techniques, calculs théoriques, simulations numériques et expériences de laboratoire confirment ce scénario.

Emmanuel Dormy
Nous avons tous joué un jour avec une boussole. L’expérience, bien que simple, est fascinante. L’aiguille s’oriente systématiquement dans une direction privilégiée, le « Nord ». Lorsqu’on cherche à l’en dévier, elle oscille et revient dans sa direction d’origine. Si l’on approche un aimant, elle se met à osciller rapidement et finit par s’orienter vers l’aimant. Cette expérience à la portée de tous ne manque pas de surprendre et de réveiller la curiosité scientifique qui nous anime. Dans son autobiographie, Albert Einstein a écrit qu’à l’âge de 4 ou 5 ans, alors qu’il était malade, son père lui a offert une boussole. Il était captivé : « Que l’aiguille se comporte de façon aussi précise sans qu’on la touche ne rentrait pas dans mes schémas de compréhension du monde… Je me souviens, ou je crois me souvenir, que cet événement me laissa une impression profonde et durable. Il devait y avoir un ordre caché derrière l’apparence des choses. » Ce besoin de comprendre a amené le jeune Einstein à faire des découvertes spectaculaires. Mais qu’en est-il de cette boussole si fascinante ?
Dès le IVe siècle avant notre ère, les Chinois utilisaient un « indicateur austral » (les boussoles chinoises indiquaient de préférence le sud) pour se repérer.
À l’époque Han, la boussole était constituée d’une cuillère en magnétite (un oxyde de fer présentant une aimantation permanente) dont la queue pointe vers le sud. Il faut attendre le XIe siècle pour voir les premières références à l’utilisation de boussoles pour la navigation. Puis l’innovation technique s’est propagée vers l’Europe, où la première mention se trouve dans l’ouvrage De Naturis Rerum, du philosophe anglais Alexandre Neckham, en 1190.
On sait aujourd’hui que l’orientation de la boussole est liée à la présence d’un champ magnétique global, à l’échelle de la planète . Mais l’origine de ce champ est longtemps restée inexpliquée. Elle a intrigué de nombreux savants, comme René Descartes, Edmond Halley ou encore André-Marie Ampère. Mais c’est en 1919, il y a tout juste cent ans, que le Britannique Joseph Larmor a posé les bases expliquant l’origine du champ magnétique terrestre. Depuis, notre compréhension de la dynamo terrestre a bien progressé, grâce à des approches tant théoriques et mathématiques qu’expérimentales et numériques.
L’intérêt d’étudier la dynamo terrestre ne se limite pas à la Terre. D’autres planètes, les étoiles et même les galaxies sont dotées de champs magnétiques dont le mécanisme sous-jacent est similaire. La Terre constitue dès lors un bon modèle pour comprendre ce phénomène complexe.

La Terre, un aimant géant ?
On attribue les premières expériences systématiques sur le champ magnétique terrestre à William Gilbert. Vers 1600, cet astronome anglais cherchait à comprendre les causes de l’alignement des boussoles. L’idée la plus naturelle est de supposer que la Terre comporte un aimant gigantesque en son centre. Les lignes de champ magnétique émergent du sol dans l’hémisphère Sud et remontent vers l’hémisphère Nord en suivant les méridiens, avant de replonger dans la planète. Pour tester cette hypothèse, le savant anglais a conçu un aimant sphérique, qu’il a nommé terrella (« petite terre » en latin). Lorsqu’il en approchait une boussole, l’aiguille pointait vers le pôle nord de la sphère. Il rendait aussi compte du fait, observé par ailleurs, que l’aiguille ne reste pas horizontale par rapport au sol mais s’incline en pointant vers le nord. Mais si un aimant géant, c’est-à-dire un dipôle magnétique présentant un pôle sud et un pôle nord, explique bien le comportement d’une boussole, le modèle est trop simple. Il n’explique pas les variations du champ magnétique terrestre au cours du temps. En effet, en 1634, Henry Gellibrand, professeur d’astronomie au Gresham College, à Londres, a montré que le pôle nord du dipôle magnétique indiqué par la boussole se déplace. Il avait mesuré une déclinaison (l’angle entre le pôle nord magnétique et le pôle Nord géographique défini par l’axe de rotation de la Terre) de 4,1° vers l’est ; or des mesures de ses prédécesseurs indiquaient respectivement une déclinaison de 6° vers l’est en 1622, et un angle de 11,3° vers l’est en 1580. En supposant que ces relevés étaient fiables, Gellibrand a conclu que le champ magnétique terrestre évoluait dans le temps, contrairement à celui d’un simple dipôle.