thumb|Le champ magnétique d'une planète ressemble à celui d'un aimant droit, incliné par rapport à l'axe de rotation|alt=schéma représentant la terre comme un "aimant".
Un champ magnétique planétaire est un champ magnétique généré à l'échelle d'un corps planétaire. Sa source, qui longtemps fut une énigme scientifique, s'explique par un mécanisme appelé effet dynamo, qui est aussi à l'œuvre dans les étoiles. Cet effet explique l'existence d'un champ magnétique auto-entretenu par une interaction entre les courants de convection d'un fluide conducteur (fer liquide dans le cas de la Terre), la force de Coriolis et le champ magnétique lui-même.
C'est un mécanisme complexe, chaotique, dont aucun modèle numérique n'est encore capable de prédire l'ensemble des comportements. Il est sujet à des variations dont la manifestation la plus extrême est l'inversion des pôles.
Dans notre système solaire, Mars et Vénus ne possèdent pas de dynamo planétaire active. Outre la Terre, les seuls corps telluriques à en posséder une seraient Mercure, Ganymède et peut-être Io. Les géantes gazeuses possèdent un champ magnétique d'une amplitude considérablement plus importante. De nombreux corps, y compris des astéroïdes de relativement petite taille, ont pu posséder une dynamo active dans le passé. Mais un corps de petite taille se refroidit plus vite, si bien que les mécanismes de convection et avec eux la dynamo planétaire, s'arrêtent plus rapidement.
Historique vignette| Boussole chinoise antique. Le manche indique le sud.| alt=ressemble à une cuiller posée sur un support décoré. La boussole est connue en Chine depuis l'Antiquité (la date précise de son invention reste inconnue) et introduite ou réinventée en Europe et au Proche-Orient vers 1200. Aucune théorie n'existe alors pour expliquer son fonctionnement : les sources médiévales se contentent de constater que la boussole indique toujours la direction de l'étoile polaire..
En 1600, la notion de champ magnétique terrestre fait ses premiers pas avec William Gilbert, qui publie le premier ouvrage consacré au magnétisme, . (« Du magnétisme, des corps magnétiques et du grand aimant Terre »). Il réalise par ailleurs une maquette appelée terrella, qui est une sphère aimantée. Il observe qu'une boussole placée sur la terrella indique toujours le même point et comprend ainsi que la Terre possède un champ magnétique global.. Pour l'expliquer, il propose que l'ensemble de la planète possède une aimantation permanente, semblable à celle d'un minéral comme la magnétite..
Peu après, Guillaume de Nautonier de Castelfranc mesure la déclinaison magnétique et comprend que, contrairement à ce que pensait Gilbert, le champ magnétique terrestre n'est pas aligné avec l'axe de rotation de la planète. Il représente le champ magnétique avec une première ébauche d'un modèle dipolaire, comparable à celui d'un aimant droit.. À ce sujet, on appelle côté « nord » d'un aimant sa partie qui pointe vers le nord si on utilise cet aimant comme une boussole. En conséquence, si on considère la Terre elle-même comme un aimant, son côté « nord » est en fait au sud.
À la fin du , il est admis que l'aimantation permanente de minéraux ne peut expliquer le champ magnétique à l'échelle d'une planète : les minéraux aimantables sont plutôt rares, et ils ne gardent leur aimantation qu'à des températures modestes (en dessous de leur température de Curie, une caractéristique découverte en 1895), donc seulement près de la surface d'une planète comme la Terre.. On ne peut pas non plus attribuer le champ magnétique à un électroaimant, car on ne sait pas quelle source d'énergie pourrait compenser les pertes résistives..
La théorie de la dynamo planétaire fait ses premiers pas avec Joseph Larmor en 1919 : il explique le champ magnétique planétaire comme un phénomène auto-entretenu, dû aux mouvements du noyau liquide de la planète. À partir de 1941, Walter M. Elsasser rend ce modèle viable en y intégrant les courants de convection...
Modèle de la dynamo planétaire vignette|Schéma des courants convectifs d'une dynamo planétaire|lien=Fichier:Dynamo_Theory_-_Outer_core_convection_and_magnetic_field_generation.svg%3Flang=fr
Présentation générale
Le modèle attribue la génération du champ magnétique à des mouvements de fluides conducteurs : il s'agit de la partie liquide du noyau externe ferreux pour les planètes telluriques, et de l'hydrogène métallique dans le cas des planètes gazeuses. Une variante de la même théorie s'applique aux étoiles.. Le champ magnétique d'une planète est un phénomène auto-entretenu. Ainsi, de façon contre-intuitive, il est nécessaire de le prendre en compte pour comprendre les phénomènes qui lui donnent naissance..
Origine des mouvements de fluides Le mouvement des fluides conducteurs dans les intérieurs planétaires peut avoir plusieurs origines qui ne sont pas mutuellement exclusives. D'une part, le lent refroidissement des planètes et de leurs enveloppes fluides conduit à une extraction de chaleur vers l'extérieur, ce qui entraîne des mouvements de convection thermique. Dans le cas des noyaux des planètes telluriques, des variations de concentration en éléments légers tels que le soufre ou l'oxygène peuvent donner lieu à des variations de densité du noyau liquide et donc à des mouvements. Ces variations de composition se produisent notamment du fait de la cristallisation du noyau externe. Les mouvements donnant lieu à la dynamo terrestre sont attribués aux mouvements de convectifs dans le noyau externe.
Des forçages mécaniques peuvent également être à l'origine de mouvements dans les enveloppes fluides des planètes. L'interaction gravitationnelle d'une planète avec d'autres astres conduit à des modifications de sa rotation sous la forme de mouvements de précession, de nutation et de libration. Les forces de marée causées par la présence d'astres voisins produisent également des variations de la forme des enveloppes fluides. Ces perturbations peuvent exciter des mouvements des fluides conducteurs qui sont à même de générer un effet dynamo. Si ce type de mécanisme de création de mouvement n'est pas avancé pour la dynamo terrestre actuelle, il a été proposé pour expliquer la signature magnétique d'autres corps telluriques tels que la Lune ou Io.
Effets des forces de Coriolis et des forces magnétiques
Les mouvements de fluides entraînés par convection ou par forçage mécanique sont fortement influencés par la rotation. La force de Coriolis tend à organiser le mouvement suivant des tourbillons parallèles à l'axe de rotation de la planète.
La présence d'un champ magnétique a deux conséquences sur les fluides conducteurs en mouvements. Le déplacement dans un champ magnétique donne lieu à une force électromotrice (induction), ce qui crée des courants électriques par phénomène d'induction électromagnétique. En conséquence, d'une part le fluide subit des forces de Lorentz; d'autre part, les courants qui s'y produisent entretiennent le champ magnétique.
Équations principales L'écoulement est gouverné par l'équation d'Euler à laquelle s'ajoute le terme de la force de Laplace. :
où : est la vitesse, l'opérateur nabla, la pression, la viscosité cinématique, l'accélération de la pesanteur, la densité de courant, l'opérateur produit vectoriel et le champ magnétique.
L'autre équation fondamentale est celle de la diffusion magnétique :
où : est la perméabilité magnétique du vide et la conductivité électrique.
Le phénomène physique traduit par cette équation aux dérivées partielles est le suivant : un fluide conducteur en écoulement tend à les lignes du champ magnétique. À l'extrême, dans un fluide de conductivité infinie, les lignes de champ seraient totalement dans le fluide et se déplaceraient avec lui, c'est le théorème d'Alfvén..
Effets α et Ω
Ces deux effets sont dus à l’intégration par diffusion entre les lignes de champ magnétique et l'écoulement du fluide. L'effet Ω tend à convertir un champ poloïdal (orienté nord-sud) en champ toroïdal (lignes de champ entourant l'axe de rotation), l'effet α fait le contraire ..
L'effet α est provoqué par la tendance de l'écoulement à tourbillonner. Les lignes de champ sont étirées par le fluide, jusqu'à former des boucles qui se détachent des lignes initiales. L'effet Ω s'explique, lui, par les inhomogénéités dans la vitesse de rotation du fluide.
Critères
La théorie du modèle dynamo et la comparaison des planètes (et principales lunes) du système solaire permet de définir un certain nombre de critères qui font qu'une planète possède, ou non, un champ magnétique auto-entretenu.. Le corps planétaire considéré doit posséder un noyau ou un manteau liquide (ou partiellement liquide), ce qui exclut d'emblée les corps non différenciés. Le liquide en question doit être suffisamment conducteur : par exemple, une part importante du volume d'Encelade est liquide, mais il s'agit d'eau, aucun effet dynamo n'est possible.. Il faut aussi que le corps soit encore en train de se refroidir, ce qui produit des courants de convection suffisants. Dans les planètes dont l'intérieur est largement refroidi, comme Mars, les courants convectifs sont arrêtés, et aucune dynamo planétaire ne peut fonctionner.
Même lorsqu'un noyau liquide conducteur et des courants de convection sont présents, une dynamo auto-entretenue n'est pas forcément possible. Les chercheurs ont identifié des critères, exprimés sous forme de nombres adimensionnels, qui conditionnent l'effet dynamo..
Ainsi, le nombre de Reynolds magnétique, un de ces critères, exprime le ratio entre induction et diffusion magnétique. Il vaut , où : est la perméabilité du vide, est la conductivité électrique, est la longueur caractéristique, c'est-à-dire la taille du milieu conducteur en écoulement, est la vitesse caractéristique du fluide. Il existe un nombre de Reynold magnétique critique, en dessous duquel aucun effet de dynamo auto-entretenue n'est possible. Ce seuil n'est pas constant, il est lui-même déterminé par d'autres données. Par exemple, la compressibilité du fluide handicape le fonctionnement d'une dynamo, ainsi une compressibilité élevée relève le seuil critique de nombre .
Un système complexe et chaotique
Une dynamo planétaire est un processus physique qui reste extrêmement difficile à modéliser. Il n'existe pas, en 2022, de modèle numérique complètement prédictif du fonctionnement de la d'un corps planétaire. D'une part, c'est un problème multiphysique, qui fait intervenir des équations relevant aussi bien de la mécanique des fluides que de l'électromagnétisme. En outre, les données sur le noyau terrestre, et a fortiori sur celui des autres planètes, restent fragmentaires : il n'existe aucun moyen d'observation directe, tout ce qui est connu du noyau terrestre est inféré des informations magnétiques, sismiques et gravimétriques..
Une dynamo planétaire est un système chaotique, où de petites perturbations peuvent aboutir à des basculements majeurs. L'illustration la plus flagrante en est le phénomène d'inversion. Il s'agit d'un phénomène chaotique, où les deux positions extrêmes de l'axe magnétique de la Terre (aligné dans un sens ou dans l'autre sur l'axe de rotation) représentent des attracteurs..
Modèles comportementaux
Étant donné l'extrême complexité physique d'une dynamo planétaire, des modèles comportementaux ont été élaborés, suffisamment simples pour être mis complètement en équation ou testés en laboratoire, et capables de rendre compte de certains de ses comportements.
Bullard vignette|droite| Dynamo homopolaire de Bullard.|alt=schéma d'un disque en rotation, relié à une bobine qui lui impose un champ magnétique.