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Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

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Page 1: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Page 2: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

1 : Qu’est-ce que le géomagnétisme ?

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Le géomagnétisme a pour objet l’étude du champ magnétique terrestre

Il existe 3 objectifs principaux :

Physique du globe

Étude de ses variations temporelles pour en préciser les

parts externes et internes

Géodynamique

Reconstitution des mouvements passés des plaques

lithosphériques

Géophysique appliquée

Prospection et étude des anomalies magnétiques

(profondes ou en surface)

Page 3: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

2 : Paramètres et unités

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

H est le champ de force magnétique

On définit la densité de flux magnétique, appelée induction

magnétique B :

B H1111111111111111111111111111

Avec µ : perméabilité absolue du milieu

Page 4: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

H est un vecteur dont le module s’exprime en A.m-1 (ampère par mètre)

1 A.m-1 est le champ magnétique produit au centre d’une spire circulaire de 1 m de rayon parcourue

par un courant de 1 A

B (souvent considéré abusivement comme le champ magnétique) s’exprime en T (tesla)

T est une unité très grande ; dans la réalité, on utilise plutôt le nT (nanotesla) : 1nT = 10-9 T

µ a pour unité le .s.m-1 (ohm-seconde par

mètre)

B

H

11111111111111

11111111111111

Page 5: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

La perméabilité du vide est notée µ0

Dans le vide, un champ H crée une densité de flux B0 :

0 0B B1111111111111111111111111111

Dans la pratique, on considère la perméabilité de l’air et de la plupart des roches égale à µ0,

avec µ0 = 4.10-7 .s.m-1

La perméabilité relative d’un milieu est notée µr :

0r

µr est le rapport des 2 perméabilités ; c’est un nombre adimensionnel

Page 6: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

On peut dire que :

0

0 0 0

0 0 0 0

( 1)

( 1)

r

r r

r

B H

H H

H H H

H H H H

1111111111111111111111111111

1111111111111111111111111111

111111111111111111111111111111111111111111

11111111111111111111111111111111111111111111111111111111

Avec : 1

1r

r

est la susceptibilité magnétique du milieu, qui

est adimensionnelle

Dans le vide, µr = 1 et = 0

Page 7: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Pour avoir une densité de flux µH dans le milieu, il faut ajouter à µ0H un champ

additionnel HCe champ, exprimé en A.m-1, est appelé l’intensité de magnétisation M induite par H :

M H1111111111111111111111111111

En écriture vectorielle, on note

:

0 ( )B H M 111111111111111111111111111111111111111111

Donc, dans un repère Oxyz :

0

0

0

( )

( )

( )

x x x

y y y

z z z

B H M

B H M

B H M

Page 8: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Si un corps de volume v est uniformément aimanté avec l’intensité M, on peut en déduire le moment magnétique m, exprimé en A.m² :

m vM1111111111111111111111111111

On peut en déduire que :

M H

m vM

m v H

1111111111111111111111111111

1111111111111111111111111111

1111111111111111111111111111

Une intensité de magnétisation peut exister dans certains corps ;

elle est alors appelée magnétisation permanente ou

rémanenteSi un corps est soumis à un champ externe H, il acquerra en plus une intensité induite de magnétisation

Page 9: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

3 : Le champ magnétique terrestre

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Schématiquement, le champ magnétique

terrestre ressemble à celui d’un énorme

aimant

Il est explicable à plus de 90% par un dipôle au centre

de la Terre

m 8.1022 A.m²

Page 10: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

a : Caractéristiques du champ magnétique terrestre

La direction du champ varie avec la localisation :

Vertical aux pôles Horizontal à l’équateur

Le champ varie également dans le temps :Origine externe (vent solaires)

Variations en intensité et en direction

Quelques dizaines de nT en période calme

Quelques centaines de nT en période agitée (tempêtes magnétiques)

Nécessité d’appliquer une correction diurne

Page 11: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Le champ magnétique terrestre peut être défini par 3 composantes en tout point

donné :Intensité F Inclinaison I Déclinaison D

² ² ²

tan

cos

sin

cos

F x y z

zI

Hx H D

y H D

z F I

Page 12: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

b : Inclinaison magnétique

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

L’inclinaison a une influence sur la forme des anomalies magnétiques

générées :

Page 13: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

4 : Notions de dipôle

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Ce concept est fondamental pour comprendre le comportement magnétique de la matière

Un dipôle magnétique est la combinaison de 2 charges magnétiques de signe

opposé (ou pôles), séparée par une courte distance

Un aimant est un dipôle magnétique

- +

m

Entre ces 2 pôles se trouve un champ électrique

proportionnel à la charge de ces pôles

Les dipôles ont un moment magnétique m représenté par un vecteur orienté du + vers

le -

Page 14: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

En première approximation, le champ magnétique terrestre est généré par un

dipôle situé au centre de la Terre

5 : Schématisation du champ magnétique terrestre

Ce dipôle "fictif" est placé suivant une droite faisant un axe de 11,5° avec l’axe de rotation

Une telle structure schématique du champ

magnétique terrestre est appelé champ de Gauss

Page 15: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Le champ réel est irrégulier et les pôles magnétiques vrais ne coïncident pas avec les

pôles géomagnétiques et ne sont pas diamétralement opposés

Latitude LongitudePôles géomagnétiques

Nord 78,5°N 111°WSud 78,5°S 111°E

Pôles magnétiquesNord 75°N 101°WSud 67°S 143°E

La ligne où l’inclinaison I = 0 n’est jamais à plus de 15° de l’équateur

Page 16: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

La mise en plan des endroits d’égales inclinaison, déclinaison ou intensité magnétique donne des

cartes isomagnétiques

Intensité horizontale Intensité verticale

En France, l’intensité du champ terrestre est de l’ordre de 45000 nT

Page 17: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

6 : Origine du champ magnétique principal

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Théoriquement, le champ magnétique terrestre peut être causé par une source interne ou

externe ; ce magnétisme peut être rémanent ou engendré par un flux de courant

Des analyses mathématiques ont montré qu’au moins 99% du champ observé en

surface est causé par des sources internes

Page 18: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

a : Hypothèses avancées

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Blackett (1947) : par observation des moments magnétiques de la Terre, du Soleil et d’une étoile, il en a conclu que c’est une propriété fondamentale des corps en rotation

Théorie périmée car s’appuyant sur une

fausse valeur de H du Soleil

Cagniard (1961) : l’équivalent d’un dipôle est créé par la présence de très fortes charges électriques entraînées par la rotation

terrestre

Abandonnée car la magnétisation

engendrée et le gradient du potentiel

observé sont trop faibles par rapport à la

théorie

Page 19: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Théorie de la Terre uniformément magnétisée

Demande une intensité de magnétisation trop forte par rapport aux observations des

roches de surface

Les hautes températures qui existent à l’intérieur de la

Terre (> 2000°C) dépassent largement la température de

Curie de la plupart des matériaux (Fe : 750°C ; Ni : 360°C ; magnétite : 575°C) ;

ces matériaux possèdent alors une aimantation très faible

incompatible avec des aimants permanents

Page 20: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Géophysique : Magnétisme

environnemental Géomagnétisme

Théorie actuelle : la géodynamo

Le champ magnétique terrestre est créé et entretenu par un processus d’induction ; des courants électriques

intenses circulent dans le noyau extérieur (1300 < r < 3500 km) qui possède une conductibilité électrique très

forteLe modèle utilisé est dit auto-excité : un fluide de

grande conductivité bouge dans un

mouvement complexe et des courants électriques

sont causés par des variations chimiques qui

produisent un champ magnétique

Page 21: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

b : Variations internes séculaires

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

De longues séries d’observations montrent que le champ magnétique terrestre est loin d’être

constant

Ces données ont l’air cycliques, mais

d’autres observations ailleurs

sur le globe ne confirment pas ces conclusions ; ces variations ont un

caractère régional

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7 : Champ magnétique externe

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

La majeure partie du 1% du champ magnétique provenant de l’extérieur de la Terre apparaît être associée aux courants électriques dans les couches ionisées de la

haute atmosphère

Les variations, tant temporelles que spatiales, de ce champ d’origine externe sont beaucoup plus rapides que celles du champ dit "permanent"

Page 23: Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

a : Variation diurne régulière

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Le phénomène d’ionisation est dû essentiellement au rayonnement lumineux

L’ionisation augmente le jour et diminue la nuit ; la

variation diurne suit le rythme solaire

L’amplitude de la variation est influencée par le cycle d’activité solaire (taches solaires) qui passe par un maximum tous les 11 ans

L’ionosphère se déplace par rapport au globe solide :

• Circulation atmosphérique qui rétablit l’équilibre entre hémisphères "nuit" et "jour"

• "Marée" atmosphérique

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b : Tempêtes magnétiques

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

Ce sont des perturbations magnétiques dont les amplitudes peuvent atteindre 2000 nT

Elles se retrouvent à toutes les latitudes, mais sont plus importantes dans les régions polaires, où elles sont à l’origine des aurores boréales (hémisphère

nord) ou australes (hémisphère sud)

Elles sont dues à l’émission de particules électriques par le Soleil

Ces tempêtes peuvent durer plusieurs jours, entraînant des perturbations magnétiques qui troublent les communications radios à grande

échelle

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8 : Magnétosphère

Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme

La magnétosphère est une région dans laquelle le mouvement des particules est dicté par le champ

magnétique terrestreLa forme de la magnétosphère est définie par

l’interaction des particules du vent solaire avec le champ magnétique terrestre

Face au Soleil, elle s’étend en moyenne jusqu’à 60000

km

Du côté opposé, elle s’étire en une queue qui s’étend sur

plusieurs millions de km