L'inversion du champ magnétique terrestre (ou basculement des pôles) est un phénomène récurrent dans l'histoire géologique terrestre, le pôle Nord magnétique se déplace au pôle Sud géographique, et inversement. C'est le résultat d'une perturbation de la stabilité du noyau de la Terre. Le champ géomagnétique s’affole alors pendant une courte période (de ) pendant laquelle les pôles magnétiques se déplacent rapidement sur toute la surface du globe, ou disparaissent, selon les théories.

Au cours de cette transition, l'intensité du champ géomagnétique est très faible et la surface de la planète peut être exposée au vent solaire, potentiellement dangereux pour les organismes vivants. Si cela se produisait aujourd'hui, de nombreuses technologies utilisant le champ géomagnétique pourraient aussi être affectées.

À la fin de cette période de transition, soit les pôles magnétiques reprennent leurs positions initiales, il s'agit alors seulement d'une excursion géomagnétique, soit ils permutent et on parle alors d'inversion.

Le champ terrestre s'est inversé environ ces millions d'années. La dernière inversion est survenue il y a et la dernière excursion il y a , personne ne sait quand la prochaine se produira.

Histoire C'est en 1905 que Bernard Brunhes montre que certaines roches volcaniques ont été aimantées dans la direction opposée à celle du champ magnétique terrestre local ; il en conclut que le champ peut s'inverser.

La première estimation du calendrier des inversions magnétiques est faite dans les années 1920 par Motonori Matuyama, qui observe que les roches avec des champs inversés datent toutes du début du Pléistocène ou d'avant. À l'époque, la polarité du champ terrestre est mal comprise et la possibilité d'inversions suscite peu d'intérêt...

Mais plus tard, lorsque le champ magnétique terrestre est mieux compris, des théories plus avancées suggèrent que le champ terrestre pourrait avoir été inversé dans le passé lointain. La plupart des recherches paléomagnétiques de la fin des années 1950 comprennent un examen de l'errance des pôles et de la dérive des continents. Bien que l'on ait découvert que certaines roches inversent leur champ magnétique pendant le refroidissement, il devient évident que la plupart des roches volcaniques aimantées conservent des traces du champ magnétique de la Terre au moment où la roche s’est refroidie. En l'absence de méthodes fiables pour la datation précise des roches, on pense alors que les inversions se produisent une fois par million d'années environ.

Les techniques de datation radiométrique développées dans les années 1950 permettent une avancée majeure dans la compréhension des inversions magnétiques. Allan Cox et Richard Doell, à l'United States Geological Survey, ont voulu savoir si les revirements étaient survenus à intervalles réguliers, et ont invité le géochronologue Brent Dalrymple à rejoindre leur groupe. Ils conçoivent la première échelle de temps de la polarité magnétique en 1959. Au fur et à mesure de l'accumulation des données, ils ont continué à affiner cette échelle, en compétition avec Don Tarling et Ian McDougall de l'Université nationale australienne. Un groupe dirigé par Neil Opdyke au Lamont-Doherty Geological Observatory a montré que le même schéma d'inversions est enregistré dans les sédiments prélevés au cœur des eaux profondes.

Durant les années 1950 et 1960, les informations sur les variations du champ magnétique de la Terre sont recueillies principalement au moyen de navires océanographiques. Mais les itinéraires complexes des routes maritimes rendent l'association des données de navigation avec des lectures de magnétomètre difficile. Ce n'est que lorsque les données ont été reportées sur une carte que sont apparues des bandes magnétiques remarquablement régulières et continues sur le plancher océanique.

En 1963, Frederick Vine et Drummond Matthews fournissent une explication simple en combinant la théorie de l'expansion des fonds océaniques de Harry Hess avec l'échelle de temps connue des inversions : si un nouveau fond marin est aimanté dans le sens du champ, alors il va changer sa polarité lorsque le champ s'inverse. Ainsi, l'expansion des fonds océaniques à partir d'une crête centrale va produire des bandes magnétiques parallèles à l'arête..

Le Canadien LW Morley propose de manière indépendante une explication similaire en , mais son travail est rejeté par les revues scientifiques Nature et Journal of Geophysical Research, et reste inédit jusqu'en 1967, quand il paraît dans le magazine littéraire Saturday Review. L'hypothèse de Morley-Vine-Matthews est le premier pas scientifique déterminant de la théorie de l'expansion des fonds océaniques et de la dérive des continents.

À partir de 1966, les scientifiques du Lamont-Doherty Geological Observatory constatent que les profils magnétiques du Pacific Crest Trail sont symétriques et correspondent à ceux des crêtes de la dorsale de Reykjanes dans l'Atlantique Nord. Les mêmes anomalies magnétiques sont trouvées dans la majeure partie des océans du monde, ce qui permet une estimation de la date à laquelle la plus grande partie de la croûte océanique s'est développée.

En 2017, des chercheurs grenoblois parviennent à modéliser les turbulences dans le noyau externe de la Terre, ce qui aide à comprendre les changements géomagnétiques..

Mécanisme

Selon la théorie en vigueur, le noyau de la Terre, comme celui d'autres planètes, est une gigantesque dynamo magnétohydrodynamique qui génère le champ magnétique terrestre. Ce phénomène serait dû aux mouvements du noyau externe, composé d'alliages de fer et de nickel en fusion, et aux courants électriques induits par rapport au noyau interne (solide).

Dans les simulations, on observe que les lignes de champ magnétique peuvent parfois se désorganiser et s'emmêler à cause des mouvements chaotiques du métal liquide dans le noyau terrestre.

Gary Glatzmaier et son collaborateur Paul Roberts, de l'Université de Californie à Los Angeles, ont reproduit, grâce à une simulation, le champ magnétique terrestre sur plus de et une inversion a pu être observée... Des inversions irrégulières ont également été observées en laboratoire lors d’expérimentations sur le métal liquide (expérience VKS)..

Dans ces simulations, le champ magnétique s'inverse spontanément à la suite d'une instabilité dans le noyau. Ce scénario est soutenu par les observations du champ magnétique solaire, qui subit des inversions spontanées tous les 9- environ. Cependant, on observe que l'intensité magnétique solaire augmente considérablement avant une inversion, tandis que sur Terre les inversions semblent se produire pendant les périodes de faible intensité du champ..

Causes

On pense généralement que la dynamo terrestre s’arrête, soit spontanément soit à la suite d'un événement déclencheur, et qu'après une période de transition (de à ) elle repart d’elle-même avec le pôle Nord magnétique en haut ou en bas. Quand le nord réapparaît dans la direction opposée, c'est une inversion ; quand il reprend sa position initiale, c'est une excursion géomagnétique.

Une autre théorie est proposée par une équipe de scientifiques français. Lors de cette transition, selon les travaux de paléomagnétisme qu'ils ont menés, le pôle Nord se déplace, traverse l’équateur (arrivant parfois jusqu’en Antarctique), puis se dirige vers l’est avant de retourner au nord géographique selon une grande boucle décrite dans le sens des aiguilles d’une montre ; parfois, l’excursion a lieu en sens inverse, mais selon le même chemin. Dans tous les cas, ce mouvement est accompagné d’un affaiblissement sensible de la valeur du champ.

Cette similarité des trajectoires conduit ces scientifiques à émettre l’hypothèse que le champ magnétique terrestre est constitué de deux champs distincts, celui de la graine (noyau interne), composée de métal solide, et celui du noyau externe. La graine constitue une sorte de « réservoir magnétique » accumulant ce champ externe.

Lorsque, pour une raison inconnue, le champ magnétique du noyau externe s’inverse, le champ magnétique de la graine peut suivre ou ne pas suivre ce mouvement, selon son ampleur : si les deux champs basculent, on obtient une inversion totale ; si le champ de la graine résiste, le champ du noyau externe revient à son orientation initiale, c'est une excursion..

Puisque l'orientation des pôles reste la même après une excursion géomagnétique, il est difficile de les reconnaître dans les archives géologiques naturelles. On dispose donc de peu de données à leur sujet ..

Hypothèse de l'événement déclencheur

Certains scientifiques, comme Richard A. Muller, pensent que les inversions géomagnétiques sont déclenchées par des événements qui perturbent le flux du noyau de la Terre. Ces événements pourraient être d'origine externe, comme l'impact d'une comète.., ou interne, comme l'entrée de dalles continentales dans le manteau par l'action de la tectonique des plaques ou la remontée de lave à la limite de la frontière noyau-manteau..

Les partisans de cette théorie soutiennent que l'un de ces événements pourrait conduire à une perturbation à grande échelle de la dynamo, éteignant complètement le champ géomagnétique. Comme le champ magnétique est stable aussi bien avec l'orientation nord-sud actuelle que dans l'orientation inverse, ils suggèrent qu'après la transition, il choisit spontanément un sens et qu'il y a une chance sur deux qu'une inversion se produise.

Cependant, le mécanisme proposé ne semble pas fonctionner du point de vue quantitatif, et les preuves stratigraphiques d'une corrélation entre inversions et impact cosmique sont faibles. Plus frappant encore, il n'existe aucune preuve d'une inversion liée à l'impact cosmique qui a causé l'extinction du Crétacé-Tertiaire..

Transition

Le champ magnétique peut ne pas disparaître complètement, avec de nombreux pôles se formant chaotiquement dans différents endroits, jusqu'à ce que l'inversion se stabilise à nouveau.. Une modélisation de la NASA.(ci-contre) montre que pendant cette période l’axe du champ magnétique change extrêmement vite jusqu’à l’inversion totale.

En général on estime la durée d'une transition de polarité entre et . Cependant, plusieurs transitions plus rapides ont été observées :

les études des coulées de lave sur les Steens Mountain, en Oregon, indiquent que le champ magnétique pourrait avoir changé jusqu'à fois plus vite que la normale, il y a ..Ceci a été d'abord accueilli avec scepticisme par les paléomagnétistes, car même en cas de changements aussi rapides dans le noyau, le manteau, qui est un semi-conducteur, est censé agir comme un filtre passe-bas, en supprimant les variations pour des périodes de moins de quelques mois. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer un faux signal. Pourtant, les études paléomagnétiques d'autres zones de la même région (le Trapp du Plateau du Columbia) donnent des résultats cohérents.. ; l'étude de la dernière transition en date montre également que celle-ci s'est déroulée extrêmement rapidement (de l'ordre de la durée de vie humaine).. ; il semble que la période de polarité inversée qui marque la fin du chrone C5Cr () contienne une série d’inversions et d'excursions. ; les géologues Scott Bogue d'Occidental College et Jonathan Glen du United States Geological Survey ont trouvé des preuves, en faisant des prélèvements dans les coulées de lave à Battle Mountain, au Nevada, que lors d'une inversion qui a eu lieu plus tôt, la transition n'a duré que quelques années et la direction du champ a changé de plus de 50°...

Selon une théorie, la transition n'est que la deuxième des trois étapes de l'inversion, qui durent chacune en moyenne . La première est la phase dite précurseur : les pôles se déplacent vers l’équateur terrestre puis reprennent leur position d’origine ; après la transition une troisième phase, le rebond, ramène de nouveau les pôles vers l’équateur avant qu’ils ne basculent définitivement..