géomagnétisme (suite)

Composantes magnétiques
(fig. 2)

Comme tout champ vectoriel, le champ magnétique terrestre demande, pour être déterminé en un point quelconque, que l’on connaisse les valeurs en ce point de trois paramètres indépendants. Ces paramètres peuvent être choisis de plusieurs façons, liées entre elles. La plus courante fait appel aux trois composantes D, H et Z (déclinaison magnétique, composante horizontale et composante verticale). La déclinaison magnétique est l’angle que fait le plan méridien magnétique du lieu (plan vertical local contenant le vecteur champ magnétique) avec le plan méridien géographique de ce lieu (plan vertical contenant l’axe de rotation de la Terre, S.-N. géographique). Par convention, cet angle est compté positivement quand le demi-plan méridien magnétique de l’hémisphère Nord (« nord magnétique » : N_m) est à l’est du nord géographique (N_g), et négativement s’il est à l’ouest (déclinaison orientale ou occidentale respectivement). La composante horizontale H est la projection, sur le plan horizontal du lieu considéré, du vecteur champ dans l’espace, compté positivement dans le sens S.-N. La composante verticale Z est la projection du vecteur champ dans l’espace suivant la verticale, comptée positivement de haut en bas (cas correspondant approximativement à l’hémisphère Nord).

Un autre groupe d’éléments peut être constitué par F, D et I, représentant respectivement : le module du champ dans l’espace (c’est-à-dire du « champ total », ou, improprement, « force » totale), la déclinaison telle qu’elle a été définie précédemment et l’inclinaison magnétique. Cette dernière est l’angle que fait le champ total avec la trace horizontale du plan méridien magnétique du lieu. Cet angle est compté positivement (de 0 à + 90°) si le champ total est dirigé vers le sol, négativement dans le cas contraire. Ce système a l’avantage d’allier à une présentation symétrique en D et I, pour le repérage de la direction, une mise en valeur du module du champ total F, ce qui correspond — depuis l’introduction des magnétomètres à protons ou à pompage optique — aux liens les plus directs avec les résultats des mesures absolues.

Dans les observatoires magnétiques, en plus des « mesures absolues » que l’on fait périodiquement, on dispose de « variomètres » qui enregistrent en permanence les écarts entre les valeurs à un instant donné des composantes magnétiques et des « valeurs de base » prises comme références, qui sont étalonnées au moyen des mesures absolues mentionnées ci-dessus. On peut ainsi reconstituer la valeur du champ à tout instant.

Mesures magnétiques

Les mesures de D se font au « théodolite magnétique », ou « boussole de déclinaison », qui, en plus des éléments d’un théodolite ordinaire (notamment une lunette permettant la détermination du nord géographique), comporte une colonne équipée pour l’installation d’aimants suspendus (barreaux ou aiguilles) à un fil de très faible torsion, et un couple de viseurs servant à pointer les extrémités de ces aimants. Les mesures de I faisaient appel à l’ancienne « boussole d’inclinaison » — aiguille aimantée mobile autour d’un axe horizontal dans un plan vertical orientable —, l’angle fait par l’aiguille avec l’horizontale donnant soit l’inclinaison vraie I (quand ce plan vertical est rendu parallèle au méridien magnétique), soit une inclinaison apparente I_α (quand ce plan vertical fait l’angle α avec le méridien magnétique) telle que cotg I_α = cotg I . cos α (fig. 3). Cette méthode n’étant fidèle qu’avec de grandes précautions, on lui préfère actuellement celle des « inductomètres », fondée sur la propriété selon laquelle la force électromotrice induite dans une bobine que l’on fait tourner dans le champ terrestre s’annule quand l’axe de rotation est rendu parallèle au champ total.

On complète ces mesures par celle de H ou de F. H se détermine avec les théodolites magnétiques mentionnés plus haut, qui doivent être équipés en conséquence (bras de déflexion, dispositif de pointage des oscillations de l’équipage oscillant, connaissance rigoureuse de certaines dimensions). On y combine des mesures du produit M . H (méthode des oscillations) et du rapport M/H (méthode des déflexions), M étant le moment magnétique d’un barreau aimanté, dont on peut ainsi déterminer la valeur simultanément à celle de H. Le premier se déduit de la formule

donnant la période d’une oscillation dans laquelle on s’efforce de rendre K (moment d’inertie du barreau et de sa suspension) calculable. Le second se déduit de la déflexion que le même barreau — placé à une distance connue de l’axe de l’équipage du théodolite — impose à un autre plus petit qui y a pris sa place. Suivant les positions relatives de ces deux aimants, on a la méthode de Gauss (ou des tangentes : le barreau déviant étant perpendiculaire à H) ou celle de Lamont (ou des sinus, le barreau déviant étant, à l’équilibre, normal au barreau dévié). Ces méthodes, portées à leur degré de précision le plus élevé à Potsdam avec le grand théodolite de Schmidt, n’assuraient des valeurs absolues (à quelques gammas près) qu’au prix de longs travaux. Des théodolites plus simples permettaient des mesures relatives dépendant d’un étalonnage. Cette difficulté a reçu une solution récemment, avec la mise en service de magnétomètres dérivant de principes tout différents, faisant appel à la résonance magnétique nucléaire (magnétomètres à protons) ou moléculaire (magnétomètres à « pompage* optique »). Ces magnétomètres permettent la mesure du module du champ à mesurer (et, moins simplement, de ses composantes) en la ramenant à celle d’une fréquence. C’est ainsi que, dans le cas des magnétomètres à précession de protons, on mesure la fréquence f avec laquelle les moments magnétiques des protons contenus dans l’eau de diverses solutions aqueuses précessionnent autour du champ magnétique F à mesurer. On en déduit F par la relation f = A . F ; A — constante (ou rapport) gyromagnétique des protons — ayant été déterminé avec grande précision dans des laboratoires métrologiques spécialisés (en utilisant des champs magnétiques plus intenses que le champ terrestre). On admet actuellement que A = 42,57595 mHz/γ (millihertz par gamma) ; d’où une fréquence de précession de l’ordre de 2 000 Hz dans un champ de 0,5 gauss tel que le champ terrestre au sol. Ce sont ces types d’instruments qui — en plus des observatoires — équipent la plupart des satellites artificiels destinés à des mesures de champ magnétique dans l’espace.