thumb|upright=1.2|Variation modélisée du champ magnétique terrestre face à une tempête de « vent solaire ». thumb|upright=1.2|Champ magnétique terrestre mesuré en juin 2014 par la sonde Swarm (ESA/DTU Space).
Le champ magnétique terrestre, aussi appelé bouclier terrestre, est un champ magnétique planétaire, présent dans un vaste espace autour de la Terre (de manière non uniforme du fait de son interaction avec le vent solaire) ainsi que dans la croûte et le manteau.
Il a son origine dans le noyau externe, par un mécanisme de dynamo auto-excitée. Le métal conducteur liquide présent dans le noyau externe est mis en mouvement par convection thermique et la force de Coriolis due à la rotation de la Terre, ce qui génère un champ magnétique semblable à celui d'un dipôle grossièrement aligné sur l'axe de rotation de la Terre.
Étant dépendant de la structure du noyau et de mouvements chaotiques, le champ magnétique n'est pas stable et peut subir des variations, dérives et même des inversions. L'étude de ces variations sur des millions et milliards d'années est le paléomagnétisme, et dans l'histoire et la Préhistoire l'archéomagnétisme.
Il joue un rôle majeur dans le développement et la protection de la vie sur Terre, en détournant les effets nocifs du vent solaire et notamment la destruction de son atmosphère.
Âge et origine
Selon les études de John Tarduno de l'université de Rochester (États-Unis), la Terre possédait déjà un champ magnétique il y a 3,45 milliards d'années, sur le site wired.com.. À cette époque l'intensité du champ était de 50 à 70 % de sa valeur actuelle. Mais dès le champ terrestre était aussi intense qu'aujourd'hui, sur le site de Sciences et Avenir... Il a été proposé en 2014 que le champ magnétique terrestre existait déjà il y a 4,2 milliards d'années mais la validité de ces études, fondées sur la magnétisation de cristaux anciens de zircon, a été remise en cause en 2020..
Le champ magnétique terrestre est généré par des courants électriques internes, ces courants étant eux-mêmes entretenus par les mouvements de convection du noyau externe, constitué de métal liquide (essentiellement fer et nickel). Ce noyau externe fonctionne comme une dynamo auto-excitée (on dit aussi auto-entretenue), c'est-à-dire que le champ magnétique est à l'origine des courants électriques qui eux-mêmes engendrent le champ (imbrication de l'induction électromagnétique et de la loi de Biot et Savart). La convection est sans doute solutale (due à des gradients de concentration) plutôt que thermique (due à des gradients de température), et intimement liée à la croissance du noyau interne : le fer-nickel solide étant moins riche en éléments dissous que le liquide, la cristallisation de ce liquide enrichit la base du noyau externe en éléments dissous ; ces éléments étant plus légers que Fe et Ni, le liquide métallique profond tend à remonter sous l'effet de la poussée d'Archimède....
Le noyau interne est cependant trop jeune pour que le mécanisme ci-dessus ait pu fonctionner il y a plus de . Un autre processus de convection solutale aurait alors été l'exsolution d'oxyde de magnésium MgO, due au refroidissement progressif du noyau (alors entièrement liquide).. MgO est en effet soluble dans le fer liquide à très haute température.. Une quantité importante de MgO a pu être dissoute dans le noyau lors de l'accrétion de la Terre, et notamment lors du gigantesque impact à l'origine de la Lune..
Description thumb|Le champ magnétique terrestre peut être vu comme celui d'un aimant droit. Le champ magnétique terrestre peut être comparé, en première approximation, à celui d'un aimant droit (ou d'un dipôle magnétique, ou d'une bobine plate parcourue par un courant électrique), de moment magnétique. en 2000. Le point central de cet aimant n'est pas exactement au centre de la Terre, il se trouve à quelques centaines de kilomètres du centre géométrique. Cette approximation ne doit pas faire oublier que le champ a des composantes multipolaires dont l'intensité, bien que beaucoup plus faible que la composante dipolaire, n'est pas négligeable, notamment lors d'une inversion du champ magnétique terrestre qui voit l'affaiblissement de l'intensité du dipôle si bien que les composantes non dipolaires deviennent prédominantes..
La théorie du potentiel décrit, à partir de l'équation de Laplace, qu'à cet aimant droit se superposent en second ordre un quadrupôle, au troisième ordre un octopôle, etc., jusqu'à l'infini. Cette décomposition dite en harmoniques sphériques admet des coefficients qui pondèrent l'importance à attribuer à chaque aimant. Le premier à avoir mesuré leur valeur est Gauss à partir d'un maillage d'observatoires magnétiques répartis autour de la Terre, puis d'en tirer des études statistiques.
L'ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l'ionosphère, soit à plus de , est appelé magnétosphère. L'influence du champ magnétique terrestre se fait sentir à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.
D'autres planètes du système solaire possèdent un champ magnétique : Mercure, Saturne, Uranus, Neptune et surtout Jupiter. Le Soleil lui-même en possède un.
Bien que les aimants aient été connus depuis l'Antiquité, ce sont les Chinois qui, vers l'an 1000-1100 les utilisèrent pour s'orienter à l'aide de la boussole. La relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre fut découverte en 1600, par William Gilbert, un physicien anglais et médecin de la reine Élisabeth qui publie en 1600 (« Du Grand Aimant de la Terre »). Cette théorie est la première concernant des caractéristiques globales de la Terre, avant la gravité d'Isaac Newton. Il démontra comment une boussole placée à la surface d'une boule magnétisée (la « Terrella ») indique toujours le même point, comme elle le fait sur la Terre.
Notion de pôle vignette|Le dipôle terrestre. Les pôles magnétiques sont conventionnellement définis comme étant les points de la surface terrestre où le champ magnétique est localement vertical, c'est-à-dire que l'inclinaison magnétique est de (voir ci-après les propriétés du champ magnétique pour une définition de l'inclinaison). Il y a un pôle magnétique par hémisphère, le nord et le sudLe champ magnétique n'étant pas parfaitement dipolaire, il peut arriver qu'il y ait plusieurs pôles magnétiques nord, et/ou plusieurs pôles sud, notamment pendant les inversions et excursions géomagnétiques.. Au , le polymathe Chinois Shen Kuo a été le premier à remarquer que les pôles géographiques et magnétiques ne se correspondaient pas. C'est en 1831, que les scientifiques ont constaté que les pôles magnétiques se déplaçaient.
Le pôle Nord magnétique terrestre est en fait un pôle de magnétisme « sud ». Il s'agit d'une pure convention, due au choix d’appeler « nord » la pointe de l'aiguille de la boussole qui pointe ce pôle magnétique, qui n'est pas très éloigné du pôle Nord géographique. L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles géomagnétiques, fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre ; c'est la déclinaison magnétique.
Une mesure d' par le projet « Poly-Arctique » a situé le pôle Nord magnétique (Nm) à une latitude de 83,95° N et une longitude de 121,02° O ()., soit à du pôle Nord géographique (Ng) et avec alors une vitesse moyenne de déplacement de , soit une moyenne d'environ ou . contre 15 km/an avant 1990. Cette accélération fait que le pôle s'est déplacé autant, durant les 20 premières années du , que durant tout le . thumb|Lignes de déclinaison magnétique dérivé du World Magnetic Model 2010. Depuis le milieu des années 1990, il se dirige du Canada (où il avait toujours été localisé depuis les premières mesures) vers la Sibérie sans que cette évolution soit comprise par la communauté scientifique..
À l'été 2010, il était à du pôle Nord géographique.
L'accélération du déplacement se conjugue à un autre phénomène, les « secousses géomagnétiques », impulsions qui donnent localement un « coup d'accélérateur » au champ magnétique. Il s'en est produite une en 2016. Les services spécialisés américains ont ainsi été amenés à diffuser, en 2019, une nouvelle version du , l'une des références en la matière.
En , la longitude du pôle Nord magnétique était celle du méridien de Greenwich.
En outre la position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne.
Le pôle Sud magnétique, quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'Urville, à 65° S et 138° E.
+ Position des pôles magnétiquesPôle Nord magnétiqueGeomagnetism, North Magnetic Pole. Natural Resources Canada, 2005-03-13. (2001) (2004) (2005) (2010) Pôle Sud magnétiqueSouth Magnetic Pole. Commonwealth of Australia, Australian Antarctic Division, 2002. (1998) (2004) (2005) (2010)
Propriétés du champ magnétique En un point donné du champ magnétique terrestre, le vecteur champ magnétique peut être décomposé en une composante verticale (dirigée selon la verticale locale, soit en gros vers le centre de la Terre) et une composante horizontale . Aux pôles magnétiques, la composante horizontale a une valeur nulle. L'angle formé par et est appelé « inclinaison ». Il augmente donc lorsque l'on se rapproche des pôles magnétiques, en tendant vers 90°. L'angle (orienté) de la direction du pôle Nord géographique vers est appelé « déclinaison ». Le module de est appelé « intensité ».
Le vent solaire est responsable de variations du champ mesuré, par les courants électriques qu'il engendre dans l'ionosphère et la magnétosphère. En fonction de l'activité solaire, les orages magnétiques peuvent perturber le champ magnétique terrestre en faisant varier l'intensité de la composante horizontale B0. De plus, les vents solaires déforment les lignes de champ du champ magnétique terrestre. Côté jour, elles sont aplaties vers la Terre, et du côté nuit, elles s'écartent sur une dizaine de rayons terrestres .
La valeur de l'induction magnétique est exprimée en teslas (nom de l'unité dans le Système International d'unités), en l'honneur de Nikola Tesla. Actuellement, elle est de l'ordre de au centre de la France.
L’archéomagnétisme, fondé sur l'étude des traces de champ magnétique fixées dans les objets archéologiques (briques, céramiques, etc.), et le paléomagnétisme, fondé plutôt sur les roches, permettent de comprendre l'évolution du géomagnétisme au fil du temps ; en datant les inversions de polarité magnétique au travers des âges, par exemple.
Mesure du champ magnétique terrestre Méthode des périodes Pour deux bobines de Helmholtz identiques séparées d'une distance égale à leur rayon, le champ créé au milieu de ces deux bobines peut être considéré comme uniforme (les deux bobines sont parcourues par le même courant). En plaçant ces bobines de telle sorte que le champ qu’elles induisent soit aligné avec le champ magnétique terrestre, le champ total résultant entre les bobines est donc : .
Une aiguille aimantée (boussole) placée en R/2 s’aligne avec ce champ résultant. Écartée de sa position d’équilibre, elle oscille à une période :
où μ désigne le moment magnétique de l’aimant et J son moment d’inertie.
Si on inverse le sens du courant dans les bobines, le champ induit change de sens (conservation de la direction colinéaire au champ terrestre). En veillant à ce que le champ induit par la bobine soit inférieur au champ magnétique terrestre (il ne faut pas que le changement du sens du courant induise un changement de sens de l'aiguille), l’aiguille oscille alors à la période : .
À partir de ces deux périodes on obtient : .
Ainsi, si on considère des bobines de rayon R, composées de N spires et parcourues par un courant d’intensité I, en mesurant T1 et T2 on en déduit le champ magnétique terrestre : .
Méthode des tangentes Les bobines de Helmholtz sont cette fois placées de telle sorte que le champ qu’elles induisent soit orthogonal au champ magnétique terrestre.