Service de Physique de l'Etat Condensé

29 mars 2007
La dynamique du champ magnétique terrestre reproduite en laboratoire
Collaboration VKS (CEA-CNRS-ENS Lyon et Paris), contact CEA : Francois Daviaud logo_tutelle logo_tutelle 

La Terre a subi au cours des âges géologiques plusieurs renversements erratiques de son champ magnétique. Celui du soleil se renverse quant à lui périodiquement selon son cycle d’activité de 22 ans. Ces dynamiques magnétiques, encore assez mystérieuses, jouent un rôle dans l’exposition de notre planète aux rayons cosmiques. La collaboration VKS1 (CEA2, CNRS3,4, Ecole normale supérieure de Lyon3, Ecole normale supérieure-Paris4) a observé pour la première fois en laboratoire des renversements d’un champ magnétique dans un écoulement très turbulent de sodium liquide. Ces expériences devraient permettre de mieux comprendre la dynamique des champs magnétiques cosmiques. Ce résultat est publié dans Europhysics Letters, volume 77, de mars 2007.

Le champ magnétique de la Terre est créé par des mouvements très désordonnés qui agitent le noyau de fer liquide se trouvant en son centre : c’est l’effet « dynamo ». Une de ses caractéristiques les plus étonnantes, révélée par les études paléomagnétiques, est  l’inversion aléatoire des pôles magnétiques. Ceux-ci restent proches des pôles géographiques et s’échangent entre nord et sud, environ tous les 100 000 ans, bien que des périodes plus longues sans renversement se soient produites. Les renversements durent quant à eux en moyenne quelques milliers d’années.

 

 L’origine de ces renversements, leur échelle de temps, ainsi que la géométrie du champ magnétique pendant le phénomène demeurent l’objet de débats. L’enjeu peut se révéler important : durant un renversement, la magnétosphère qui protège la Terre des radiations solaires et cosmiques est sévèrement diminuée. La vie sur Terre, et en particulier celle de notre espèce, a déjà résisté à ce type de situation (le dernier renversement a eu lieu il y a 700 000 ans), mais nos moyens de communication modernes (satellites, réseaux,…) seraient profondément affectés.

 Les chercheurs de la collaboration VKS avaient montré qu’il est possible de reproduire l’effet dynamo dans une expérience de laboratoire, à l’aide d’un écoulement turbulent de sodium liquide produit par la rotation en sens inverse de deux turbines dans un cylindre5 : pour des turbines tournant à la même vitesse, un champ magnétique stationnaire naît spontanément au-delà d’un certain seuil. Ils ont maintenant observé que lorsque les turbines tournent à des vitesses différentes, ajoutant ainsi une rotation d’ensemble semblable à celle des planètes et des étoiles, le champ dynamo peut varier au cours du temps. Certains régimes présentent de singulières similitudes avec le comportement du champ magnétique terrestre :
- Le champ passe d’un état de polarité à un état opposé avec des périodes de temps aléatoires et la durée des transitions d’un état à l’autre est très courte.
- Les périodes de temps pendant lesquelles le champ est stable ont une durée variable mais toujours plus longue que le temps nécessaire à un renversement
- On peut observer des excursions du champ, périodes durant lesquelles le champ décroit puis croit de nouveau sans changer de polarité

 

Pour d’autres vitesses de rotation, le champ magnétique peut s’inverser de manière périodique, en tournant dans l’espace sans s’annuler, comme cela est observé dans le soleil. Ces expériences mettent ainsi à la portée des études de laboratoire des phénomènes qui intriguent géophysiciens et astrophysiciens depuis des siècles.

1. Von Karman (physicien qui donna son nom à l’écoulement réalisé) Sodium (fluide utilisé dans ces expériences) 
2. Service de physique de l’état condensé du CEA, équipe de François Daviaud
3. Laboratoire de physique de l’Ecole normale supérieure de Lyon, (CNRS, ENS Lyon), équipe de Jean-François Pinton
4. Laboratoire de physique statistique (ENS Paris, CNRS, Universités Paris VI, et Paris VII), équipe de Stephan Fauve
5. L'expérience VKS est réalisée au CEA/Cadarache, au  Département de technologie nucléaire de la Direction de l’énergie nucléaire. Ce résultat fait l’objet d’un article dans Physical Review Letter 98, 044502 (2007).

M. Berhanu, R. Monchaux, S. Fauve, N. Mordant, F. Pétrélis, A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, C. Gasquet, L. Marié, and F. Ravelet, M. Bourgoin, Ph. Odier, M. Moulin, J.-F. Pinton, R. Volk, M. Berhanu et al, 2007 EPL 77 59001.
1ère publication sur l'effet dynamo : R. Monchaux, et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) 044502.

 

Voir aussi :

- Le site WEB de la collaboration VKS.

- le fait marquant du DRECAM (devenu CEA-IRAMIS) sur la première observation d'une dynamo turbulente.
- 04/10/2007 : Dossier de presse CEA sur le Magnétisme de la Terre et du Soleil
- Le dossier des défis du CEA
- l'article du journal "Le Monde du 17/04/2007 : Le géomagnétisme reproduit en laboratoire   (LE MONDE | 16.04.07)   © Le Monde.fr

Voir aussi les résultats de simulations : 
Subcritical Dynamo Bifurcation in the Taylor-Green Flow
Y. Ponty, J.-P. Laval, B. Dubrulle, F. Daviaud, and J.-F. Pinton
Phys. Rev. Lett. 99, 224501 (2007)

 


Pour l'ensemble de ces expériences, Jean-François Pinton, François Daviaud et Nicolas Mordant ont reçu le prix de l'Ingénieur de l'année - Catégorie Sciences du magazine l'Usine Nouvelle. Voir aussi l'article de "Industries et Technologies (18/12/2007)" pour ce prix.

 

Lauréats 2009 du Prix du Commissariat à l'énergie atomique (CEA) : François Daviaud, physicien du Commissariat à l'Énergie Atomique de Saclay (CEA), Service de Physique de l'état condensé, Stephan Fauve, professeur à l'École Normale Supérieure de Paris, Laboratoire de Physique statistique, et Jean-François Pinton, directeur de recherche au CNRS, Laboratoire de Physique de l'École Normale Supérieure de Lyon, pour :
"la collaboration exemplaire entre le CEA, le CNRS et les Écoles normales supérieures de Paris et Lyon, qui a permis d'observer la génération spontanée et la dynamique d'un champ magnétique dans un volume fini de métal liquide en écoulement turbulent. Leur expérience, dite VKS pour "von Karman sodium", et son interprétation constituent une étape cruciale dans la compréhension de l'origine et de l'évolution des champs magnétiques planétaires et stellaires".

L'ensemble des résultats de l'équipe VKS a été retenu par le site Futura Sciences parmi les grandes réussites mondiales en physique pour l'année 2007.

futura sciences

 

Maj : 19/03/2010 (843)

 

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