Est-ce vrai que le pôle Nord et le pôle Sud de la Terre s'inversent ?
― Une falaise de Chiba garde la trace d'une inversion survenue il y a 770 000 ans
C'est vrai. Au cours de sa longue histoire, le grand aimant qu'est la Terre a inversé son orientation nord-sud des centaines de fois. La dernière inversion remonte à environ 770 000 ans. Si l'on avait eu une boussole à cette époque, son pôle nord aurait pointé vers le sud. L'aimant terrestre n'est pas une barre de fer figée, mais un fer liquide qui circule sans cesse dans les profondeurs du globe.
Vous avez peut-être déjà tenu une boussole au creux de la main, en randonnée ou en cours de géographie. L'aiguille oscille un peu, puis s'arrête toujours dans la même direction.
Nous considérons cette direction comme une référence fixe. Les navires, comme les oiseaux migrateurs, s'y fient depuis des millénaires.
Mais si l'on recule de plusieurs centaines de milliers d'années, on trouve des époques où l'aiguille aurait pointé exactement dans la direction opposée à celle d'aujourd'hui, et cela s'est produit plusieurs fois.
Deux raisons expliquent à la fois l'inversion et le fait qu'on puisse la connaître
Entre environ 2900 et 5100 km de profondeur se trouve une couche de fer en fusion. Ce fer, en circulant lentement sous forme de tourbillons, engendre un courant électrique et forme un gigantesque électroaimant. Quand cette circulation se dérègle, le sens de l'aimant peut lui aussi s'inverser.
Quand la lave refroidit et se solidifie, les petits grains de fer qu'elle contient s'alignent sur le sens du champ magnétique terrestre du moment, puis se figent. La roche conserve ainsi, pendant des millions d'années, la mémoire du « nord » de l'époque où elle s'est formée.
Le premier point répond à « pourquoi cela s'inverse », le second à « comment on connaît le passé ». Voyons-les dans l'ordre.
Pourquoi l'aimant terrestre se retourne-t-il ?
Les manuels scolaires montrent souvent un schéma avec une grande barre magnétique à l'intérieur de la Terre. Pourtant, près du centre de la Terre, la température atteint plusieurs milliers de degrés. Or une barre de fer aimantée perd ses propriétés magnétiques dès qu'on la chauffe. Il n'y a donc pas, à l'intérieur de la Terre, un aimant solide figé.
Ce qui agit à sa place, c'est la circulation du fer liquide. Quand un conducteur électrique se déplace dans un champ magnétique, un courant électrique apparaît. Ce courant crée à son tour un champ magnétique. Ce mécanisme, sorte de « générateur qui s'entretient lui-même », est ce qui maintiendrait le champ magnétique terrestre.
Ce courant change continuellement, un peu comme le vent. Son orientation reste généralement stable, mais il se dérègle parfois fortement, et le champ magnétique s'affaiblit. Lorsque ce désordre se calme, le champ peut se réorganiser dans le sens opposé à celui d'avant. C'est ce qu'on appelle une inversion géomagnétique.
En déplaçant le curseur de la figure 1, vous pouvez observer l'orientation du champ au cours des 2,6 derniers millions d'années. On voit que les périodes dans le même sens qu'aujourd'hui et celles en sens inverse se mélangent de façon irrégulière.
L'intervalle entre deux inversions n'est pas du tout régulier. Certaines inversions reviennent au bout de quelques dizaines de milliers d'années, tandis que d'autres époques ont conservé le même sens pendant plusieurs dizaines de millions d'années. En moyenne, sur les derniers millions d'années, cela représente environ une inversion toutes les quelques centaines de milliers d'années.
Comment connaît-on le « nord » d'il y a plusieurs centaines de milliers d'années ?
L'indice se trouve dans un minéral de fer présent dans les roches : la magnétite. Dans la lave en fusion, les grains de magnétite perdent leurs propriétés magnétiques. Une fois la roche refroidie en dessous d'environ 580 °C, ces grains s'alignent sur le sens du champ magnétique terrestre du moment et deviennent de petits aimants. Une fois figée, cette orientation se conserve pendant des millions d'années.
L'un des premiers à avoir remarqué cette « mémoire des roches » est Motonori Matuyama, de l'université impériale de Kyoto. À la fin des années 1920, en étudiant des roches comme celles de la grotte de Genbudo, dans la préfecture de Hyogo, il a signalé l'existence de roches aimantées dans le sens inverse d'aujourd'hui. À l'époque, beaucoup ne l'ont pas cru, mais aujourd'hui son nom désigne la période d'inversion correspondante, appelée chron de Matuyama.
La preuve décisive est venue du fond des océans. Sous la mer se trouvent des chaînes de montagnes (dorsales océaniques) d'où la lave jaillit depuis l'intérieur de la Terre et s'étale de part et d'autre. La lave qui en sort enregistre le sens du champ magnétique du moment, puis se déplace vers les deux côtés comme sur un tapis roulant. Comme le montre la figure 2, cela crée des bandes symétriques de part et d'autre de la dorsale.
Dans les années 1960, ce motif symétrique a été effectivement observé sur le fond marin réel. Ce fut le moment où l'on confirma à la fois les inversions géomagnétiques passées et l'expansion des fonds océaniques.
Le long de la rivière Yoro, dans la ville d'Ichihara (préfecture de Chiba), une falaise conserve très bien, dans ses couches sédimentaires, la trace de l'inversion survenue il y a environ 770 000 ans. En 2020, cette formation a été choisie comme référence internationale, et la période allant d'environ 770 000 à 130 000 ans a été nommée « Chibanien ». C'est la première fois qu'un nom de lieu japonais désigne une époque géologique.
Pendant une inversion, le champ magnétique s'affaiblirait pendant plusieurs milliers d'années. Les particules venant de l'espace augmenteraient, ce qui pourrait affecter les satellites et les réseaux électriques. En revanche, les ancêtres de l'humanité ont déjà vécu plusieurs inversions, et on n'a trouvé aucune preuve d'extinction massive d'êtres vivants à chacune de ces occasions.
En résumé
L'aimant terrestre est un aimant mouvant, entretenu par la circulation du fer liquide dans les profondeurs. C'est pourquoi son sens s'inverse de temps en temps ; la dernière fois, c'était il y a environ 770 000 ans. Cette mémoire reste gravée dans les roches lorsque la lave refroidit et se solidifie, et on peut la lire au fond des océans comme dans les falaises de Chiba. Que la boussole pointe vers le nord n'est, à l'échelle de la longue histoire de la Terre, qu'un état « qui se trouve être ainsi en ce moment ».
Le « nord » de la boussole n'est pas une règle éternelle.
Il ne fait que refléter l'état actuel d'une Terre en perpétuel mouvement.
Le mécanisme qui fait pointer la boussole vers le nord est détaillé dans « Pourquoi l'aiguille d'une boussole pointe-t-elle vers le nord ? », et le centre de la Terre qui crée ce champ magnétique dans « Le centre de la Terre est presque aussi chaud que la surface du Soleil : pourquoi n'est-il pas fondu ? ». L'écart entre le nord géographique et le nord magnétique est expliqué dans « Pourquoi le nord de la boussole est-il décalé par rapport au nord de la carte ? ».
- Frottez une aiguille à coudre, toujours dans le même sens de la base vers la pointe, avec le même pôle d'un aimant, une vingtaine de fois. Posée sur un bouchon flottant dans l'eau, l'aiguille s'oriente nord-sud comme une boussole.
- Repérez quelle extrémité pointe vers le nord, et marquez-la.
- Frottez ensuite l'aiguille, toujours dans le même sens, mais avec le pôle opposé de l'aimant, puis refaites-la flotter. Si c'est désormais l'autre extrémité qui pointe vers le nord, c'est que le sens de l'aimant à l'intérieur de l'aiguille s'est inversé.
La façon dont les petits aimants à l'intérieur de l'aiguille s'alignent ou s'inversent ressemble au mécanisme par lequel la magnétite des roches enregistre une orientation. Faites attention à ne pas vous piquer en manipulant l'aiguille.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège à l'université, le niveau de chaque passage est indiqué clairement
- CollègeNiveau abordé en sciences au collège
- LycéeNiveau abordé en « physique » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Niveau avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : relève d'une discipline universitaire spécialisée (géophysique, paléomagnétisme)
- RecherchePas encore une connaissance « établie » même à l'université : sujet encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Champ géomagnétique : champ magnétique produit par la Terre. C'est ce qui fait que la boussole s'oriente nord-sud.
- Inversion géomagnétique : inversion du sens nord-sud du champ géomagnétique. On appelle « chron normal » une période dans le même sens qu'aujourd'hui, et « chron inversé » une période de sens opposé.
- Dorsale océanique : grande chaîne de montagnes sous-marine, où la lave jaillit de l'intérieur de la Terre et où le fond océanique s'étale de part et d'autre.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien le fond océanique s'est-il étalé depuis la dernière inversion ?
La bande claire centrale de la figure 2 représente la roche née à la dorsale depuis environ 770 000 ans jusqu'à aujourd'hui. Calculons la largeur d'un seul côté à partir de la vitesse d'expansion du fond océanique.
| En symboles | L = v × t |
| En mots | largeur de la bande = vitesse d'expansion d'un côté × durée pendant laquelle le sens est resté le même |
| D'où vient cette formule | La roche née à la dorsale est transportée de part et d'autre à une vitesse à peu près constante. C'est exactement la formule « distance = vitesse × temps » apprise au collège. Comme la roche enregistre le sens du champ magnétique au moment de sa formation, la longueur d'un segment de même sens correspond à la largeur d'une bande |
| Symbole | Signification et unité |
| L | largeur d'un côté de la bande (même sens) 〔cm〕 |
| v | vitesse d'expansion du fond océanique d'un côté 〔cm/an〕 |
| t | durée pendant laquelle le sens est resté le même 〔an〕 |
| Vitesse d'expansion d'un côté du fond océanique (de 1 à plusieurs cm selon la dorsale ; ici à titre d'exemple) | environ 2 cm par an |
| Temps écoulé depuis la dernière inversion | environ 770 000 ans |
| Variation de l'intensité du champ géomagnétique (depuis le début des mesures, au début du XIXe siècle) | affaiblissement d'environ un peu moins de 10 % en 200 ans environ |
| Largeur de la bande en cm | 2 × 770 000 = 1 540 000 cm |
| Conversion en km (1 km = 100 000 cm) | 1 540 000 ÷ 100 000 = 15,4 km |
| Temps pour la traverser à pied (4 km/h) | 15,4 ÷ 4 ≈ 3,9 heures |
| Pour référence : si l'intensité diminue de 10 % à chaque fois, combien de fois pour atteindre zéro ? | 100 ÷ 10 = 10 fois |
| Pour référence : nombre d'années correspondant (en supposant le rythme actuel maintenu) | 10 × 200 = 2000 ans |
En 770 000 ans, le fond océanique ne s'est étalé que d'environ 15 km. Même à une vitesse comparable à celle de la pousse des ongles, l'accumulation sur plusieurs centaines de milliers d'années finit par former des bandes magnétiques mesurables depuis un navire. Les deux dernières lignes ne sont qu'un ordre de grandeur « si l'on prolonge simplement la tendance » : en réalité, le champ géomagnétique alterne renforcement et affaiblissement, et cela ne permet pas de prédire une inversion.
LycéeLycée+Un courant crée un champ magnétique, et un mouvement dans un champ magnétique crée un courant
LycéeEn physique, on apprend qu'un champ magnétique se forme autour d'un courant électrique, et qu'un conducteur en mouvement dans un champ magnétique produit une force électromotrice (induction électromagnétique). Dans le noyau externe de la Terre, le fer liquide est à la fois en convection et vrillé par la rotation terrestre : ces deux phénomènes se produisent simultanément. En sciences de la Terre, les bandes magnétiques du fond océanique sont présentées comme une preuve de la tectonique des plaques.
Lycée+La magnétite perd ses propriétés magnétiques au-delà d'environ 580 °C (température de Curie), et se réaimante dans le sens du champ magnétique du moment lors du refroidissement : c'est l'aimantation thermorémanente. Il existe aussi l'aimantation rémanente de dépôt, où de fines particules sédimentaires s'alignent progressivement ; c'est ce mécanisme qu'utilisent les couches sédimentaires de Chiba.
UniversitéThéorie de la dynamo et preuve de l'expansion des fonds océaniques
Le mécanisme par lequel le mouvement d'un métal liquide entretient lui-même un champ magnétique est étudié sous le nom de théorie de la dynamo. La combinaison de la convection du noyau externe et de la force de Coriolis permettrait au champ magnétique de s'inverser spontanément ; cela a aussi été reproduit par des simulations informatiques. Le domaine qui lit le champ géomagnétique passé à partir des roches s'appelle le paléomagnétisme ; la dernière inversion est appelée la limite Matuyama-Brunhes. L'explication reliant les bandes magnétiques océaniques aux inversions est connue sous le nom d'hypothèse de Vine et Matthews, formulée en 1963.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Théorie de la dynamo (Wikipédia, en japonais) ／ Inversion géomagnétique (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Quand aura lieu la prochaine inversion ? Le champ géomagnétique s'affaiblit depuis environ 200 ans, mais on ne sait pas si c'est le début d'une inversion ou une simple fluctuation.
- Que se passe-t-il pendant une inversion ? Jusqu'où le champ s'affaiblit, quelles formes de perturbation il prend, et combien de temps cela dure : les enregistrements varient selon les cas, et la recherche continue.
- Pourquoi les intervalles sont-ils si irréguliers ? On pense que les périodes de plusieurs dizaines de millions d'années sans inversion pourraient être liées à la répartition de la température dans les profondeurs de la Terre, mais la question n'est pas tranchée.
Autrement dit, le contenu de cet article reste lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Personne n'est jamais allé au centre de la Terre : les seuls indices dont on dispose sont les enregistrements des roches et les mesures du champ magnétique en surface.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : champs magnétiques, évolution de la Terre | Boussole, distance = vitesse × temps |
| Lycée | Physique : courant et champ magnétique, induction électromagnétique／Sciences de la Terre : tectonique des plaques | Électroaimant formé par le fer liquide, bandes magnétiques du fond océanique |
| Lycée+ | Sciences de la Terre, niveau avancé : aimantation des roches | Température de Curie, aimantation thermorémanente |
| Université | Géophysique, paléomagnétisme | Théorie de la dynamo, limite Matuyama-Brunhes |
| Recherche | Étude des profondeurs terrestres | Date de la prochaine inversion, déroulement d'une inversion |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Fiabilité de la boussole, le Chibanien |
- Chibanien (Wikipédia, édition japonaise)
- Vine, F. J. & Matthews, D. H. (1963) Magnetic Anomalies Over Oceanic Ridges. Nature 199
- Matuyama, M. (1929) On the Direction of Magnetisation of Basalt in Japan, Tyôsen and Manchuria. Proceedings of the Imperial Academy 5
- Observatoire géomagnétique de Kakioka, Agence météorologique du Japon (気象庁 地磁気観測所)
※Cet article est une présentation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les dates des inversions passées peuvent varier de plusieurs milliers d'années selon les études.