Géomagnétisme Géophysique : Magnétisme environnemental Géomagnétisme
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)
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
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
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
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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
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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
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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
3 : Le champ magnétique terrestre
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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
Géophysique : Magnétisme
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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
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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
b : Inclinaison magnétique
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L’inclinaison a une influence sur la forme des anomalies magnétiques
générées :
4 : Notions de dipôle
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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 -
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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
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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
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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
6 : Origine du champ magnétique principal
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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
a : Hypothèses avancées
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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
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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
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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
b : Variations internes séculaires
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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
7 : Champ magnétique externe
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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"
a : Variation diurne régulière
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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
b : Tempêtes magnétiques
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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
8 : Magnétosphère
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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