Pourquoi l'aiguille de la boussole pointe-t-elle vers le nord ?
― La Terre elle-même est un aimant géant
Quand on utilise une boussole en randonnée ou en camping, quel que soit l'endroit où l'on relâche l'aiguille, elle finit toujours par se stabiliser dans la même direction, le nord. Pourtant, on n'a jamais posé d'aimant à proximité. Alors pourquoi l'aiguille trouve-t-elle sans hésiter le nord ? La réponse tient à un fait remarquable : la Terre sur laquelle nous marchons se comporte elle-même comme un aimant géant.
Posez une boussole sur votre paume : quelle que soit l'orientation de départ, l'aiguille tourne un moment puis finit toujours par se figer dans la même direction. Où que vous vous trouviez en extérieur, ce résultat ne change pas.
On sait que si un aimant pointe vers le nord, c'est à cause de la force qui fait s'attirer ou se repousser les aimants entre eux. Mais on ne s'est peut-être jamais vraiment demandé : « qu'est-ce donc qui attire la boussole ? »
La réponse se cache sous nos pieds, tout au fond de la Terre.
L'aiguille est faite d'un métal magnétisé, monté de façon à pouvoir tourner librement dans la direction des lignes de champ magnétique environnantes.
Un phénomène qui se produit à l'intérieur de la Terre crée un champ magnétique à l'échelle planétaire. C'est ce champ qui oriente l'aiguille de la boussole.
Voyons pas à pas ce fait que l'on oublie souvent au quotidien : « la Terre est un aimant ».
L'aiguille de la boussole est elle-même un petit aimant
L'aiguille de la boussole est faite d'un métal fin, préalablement magnétisé. Un aimant possède deux extrémités aux propriétés différentes, le pôle nord et le pôle sud : deux pôles nord se repoussent, deux pôles sud se repoussent, tandis qu'un pôle nord et un pôle sud s'attirent.
L'aiguille de la boussole est conçue pour pivoter presque sans frottement autour de son axe central. Dès qu'une direction magnétique existe autour d'elle, l'aiguille tourne pour s'aligner sur cette direction et s'y immobilise.
La Terre est un aimant géant façonné par les mouvements internes
À l'intérieur de la Terre, la température et la pression augmentent à mesure que l'on se rapproche du centre. Près du centre se trouve un noyau composé principalement de fer, dont la couche externe (le noyau externe) serait à l'état liquide, en fusion.
Ce fer liquide est brassé sans cesse sous l'effet de la rotation de la Terre et de la convection de la chaleur interne. Quand un métal bon conducteur d'électricité se déplace ainsi à grande échelle, un courant électrique naît, et ce courant crée à son tour un champ magnétique. C'est ce que l'on appelle la géodynamo. On pense que c'est le fonctionnement de cette géodynamo qui crée le champ magnétique à l'échelle planétaire qui enveloppe toute la Terre.
C'est la Terre elle-même, sous nos pieds, qui exerce silencieusement sa force.
En réalité, ce qui attire vers le « nord » est, magnétiquement, un « pôle sud »
Voici un fait un peu déroutant, mais fascinant. Par nature, un aimant fonctionne ainsi : un pôle nord et un pôle sud s'attirent. Or le côté de l'aiguille qui pointe vers le nord est appelé « pôle nord ». Cela signifie que le champ magnétique de la région du pôle Nord terrestre, qui attire ce pôle nord, correspond en réalité à un « pôle sud » magnétique.
Si l'on a l'habitude de penser que « le pôle Nord est le pôle nord de l'aimant terrestre », ce n'est pas exact du point de vue des propriétés magnétiques. L'origine du nom « pôle qui pointe vers le nord » et le type de pôle magnétique proprement dit sont deux choses faciles à confondre.
Le nord magnétique et le nord de la carte sont légèrement décalés
Le nord indiqué par la boussole (le nord magnétique) est connu pour être légèrement décalé par rapport au nord de la carte (le nord géographique, celui de l'axe de rotation de la Terre). Cet écart est appelé la déclinaison magnétique, et son angle varie selon le lieu. De plus, comme le champ magnétique terrestre lui-même se déplace peu à peu, de façon difficile à prévoir, au gré des changements de la géodynamo, on considère que la position du nord magnétique évolue elle aussi d'année en année.
Le magnétisme terrestre, bien qu'à l'échelle du globe, est en réalité bien plus faible que celui d'un aimant ordinaire. C'est pourquoi approcher un smartphone, un objet métallique ou un aimant puissant d'une boussole peut l'empêcher d'indiquer la bonne direction. Le volet dépliant suivant permet de vérifier, chiffres à l'appui, l'ampleur réelle de cet écart.
Une expérience à faire soi-même
- Posez la boussole sur une surface plane, loin de tout métal ou aimant, et vérifiez que l'aiguille se stabilise en pointant vers le nord
- Approchez lentement un aimant de réfrigérateur, par exemple, de la boussole
- À une certaine distance, constatez que l'aiguille pointe vers l'aimant plutôt que vers le nord
- Éloignez l'aimant et vérifiez que l'aiguille revient se stabiliser vers le nord
Vous constaterez par vous-même qu'à faible distance, un aimant ordinaire exerce une influence bien plus forte que le magnétisme de toute la Terre.
En résumé
Si l'aiguille de la boussole pointe vers le nord, c'est parce que l'aiguille elle-même est un petit aimant, qui tourne pour s'aligner sur le champ magnétique à l'échelle planétaire créé par le mouvement du fer liquide à l'intérieur de la Terre (la géodynamo). Il existe aussi une relation un peu tordue : le côté de la boussole qui pointe vers le nord est appelé pôle nord, alors que la région du pôle Nord terrestre qui l'attire correspond magnétiquement à un pôle sud. Il y a un léger écart entre le nord de la carte et le nord magnétique, et ce champ magnétique lui-même continue de changer lentement.
L'aiguille de la boussole ne regarde pas l'étoile polaire au loin.
Elle ressent, bien loin sous nos pieds, les battements du cœur de la Terre.
Et l'étoile polaire, justement, qu'en est-il ? Ce n'est en fait pas « l'étoile la plus brillante ». Lisez aussi L'étoile polaire est-elle l'étoile la plus brillante ?
Pour en savoir plus ― termes, chiffres et liens avec les manuels scolairesDu collège aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale » du lycée
- Lycée+Programme de « sciences de la Terre » du lycée, ou contenu approfondi/encadré des manuels
- UniversitéContenu d'une matière spécialisée universitaire (géophysique), non enseigné au lycée
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme un fait établi même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots autour de la boussole et du magnétisme terrestre
- Champ magnétique : état de l'espace dans lequel s'exerce une force magnétique.
- Ligne de champ magnétique : représentation visuelle, sous forme de ligne, de la direction et de l'intensité du champ magnétique.
- Magnétisme terrestre : le champ magnétique propre à la Terre.
- Déclinaison magnétique : angle d'écart entre le nord de la carte (le nord vrai) et le nord indiqué par la boussole (le nord magnétique).
LycéeVérification par le calcul : à quel point le magnétisme terrestre est-il plus faible qu'un aimant ordinaire ?
Comparons l'intensité du magnétisme terrestre à celle d'un aimant courant.
| Intensité du champ magnétique terrestre (près de la surface, à titre indicatif) | À titre indicatif, environ 50 microteslas |
| Intensité d'un aimant de réfrigérateur (près de la surface, à titre indicatif) | À titre indicatif, environ 5000 microteslas (5 milliteslas) |
L'unité d'intensité du champ magnétique est le tesla. Un microtesla vaut un millionième de tesla.
| Convertir 5 milliteslas en microteslas | 5 × 1000 = 5000 |
| Intensité de l'aimant (en microteslas) | 5000 microteslas |
| L'aimant est combien de fois plus fort que le champ terrestre ? | 5000 ÷ 50 = 100 |
| L'aimant est combien de fois plus fort que le champ terrestre ? | Environ 100 fois |
Calculons aussi, à l'inverse, quel pourcentage de la force de l'aimant représente le champ terrestre.
| Le champ terrestre représente quel pourcentage de l'aimant ? | (50 ÷ 5000) × 100 = 1 |
| Le champ terrestre représente environ quel pourcentage de l'aimant ? | Environ 1 % |
Le calcul montre que même un simple aimant de réfrigérateur possède, près de sa surface, une intensité environ 100 fois supérieure à celle du champ magnétique de toute la Terre. Autrement dit, le magnétisme terrestre ne représente qu'environ 1 % de l'intensité d'un aimant ordinaire. Le champ magnétique terrestre couvre certes une échelle grandiose, celle de la planète entière, mais son intensité locale est étonnamment faible. C'est précisément pour cela qu'approcher un aimant tout près d'une boussole suffit à dominer facilement l'influence du champ terrestre.
※ L'intensité d'un aimant varie beaucoup selon son type ; les valeurs ici ne sont qu'indicatives.
Lycée+Le nord magnétique se déplace avec le temps
La géodynamo, à l'origine du champ magnétique terrestre, n'est pas figée : son état change peu à peu. Des observations confirment que ce changement s'accompagne d'un déplacement lent, au fil des années, de la position du nord magnétique indiqué par la boussole. En cartographie et en topographie, il faut tenir compte de cette évolution de la déclinaison magnétique.
UniversitéLe champ magnétique terrestre s'est inversé à de nombreuses reprises
En géophysique, l'étude des traces de l'orientation passée du champ magnétique enregistrées dans les roches du fond océanique (le paléomagnétisme) a montré que les pôles nord et sud du champ magnétique terrestre se sont inversés à de multiples reprises, à l'échelle des temps géologiques. On appelle ce phénomène l'inversion géomagnétique. On sait que les roches du fond océanique conservent la trace de ces inversions, sous forme de bandes striées, ce qui constitue l'une des preuves majeures de la tectonique des plaques.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Des recherches se poursuivent pour simuler plus précisément le fonctionnement détaillé de la géodynamo et prédire les évolutions futures du champ magnétique. Certains travaux récents rapportent que la vitesse de déplacement du nord magnétique s'est accélérée par rapport au passé, et la cause de ce phénomène reste un sujet de recherche.
- On ne dispose d'aucune prédiction fiable quant à la date et aux modalités de la prochaine inversion géomagnétique. Certains signalent que le champ magnétique terrestre pourrait s'affaiblir temporairement pendant une inversion, et des recherches sur les conséquences de ce phénomène sont également en cours.
- Comparer les mécanismes à l'origine du champ magnétique des autres planètes est aussi considéré comme un axe de recherche important pour mieux comprendre le champ magnétique terrestre.
Derrière le simple mouvement de l'aiguille d'une boussole se cache un vaste mouvement interne à la Terre, sujet de recherches toujours en cours.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Aimants et boussoles | Vocabulaire de base : champ magnétique, lignes de champ, magnétisme terrestre |
| Lycée | Physique fondamentale・Magnétisme | Calcul comparant l'intensité du champ terrestre et d'un aimant ordinaire |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・Champ magnétique terrestre | Déplacement du nord magnétique et déclinaison magnétique |
| Université | Géophysique・Paléomagnétisme | Inversion géomagnétique et enregistrements du fond océanique |
| Recherche | Géophysique (en cours) | Simulation de la géodynamo, prédiction de la prochaine inversion géomagnétique |
- Documentation explicative sur le « magnétisme terrestre » de l'Agence météorologique du Japon (気象庁).
- Explications sur le champ magnétique et les lignes de champ dans les manuels de physique fondamentale de lycée.
- Présentation de la théorie de la géodynamo dans les manuels de géophysique.
- Revue de recherches en paléomagnétisme sur les anomalies magnétiques striées des fonds océaniques et les inversions géomagnétiques.
- Documentation explicative sur la « déclinaison magnétique » de l'Autorité d'information géospatiale du Japon (国土地理院).
※ Les valeurs d'intensité du champ magnétique sont des ordres de grandeur indicatifs ; les valeurs réelles varient selon le lieu et le produit.
※ Cet article propose une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour l'usage correct d'une boussole en randonnée ou en activité de plein air, ainsi que pour la correction de la déclinaison magnétique, veuillez consulter les organismes spécialisés et les informations de l'Autorité d'information géospatiale du Japon.