Bernard Brunhes

Eléments biographiques sur Bernard Brunhes

Source : J. Didier et A. Roche, « Vie et œuvre d’un physicien, Bernard Brunhes (1867-1910), pionnier du géomagnétisme » Comptes rendus de l’Académie des sciences, série II A, N°328, Janvier Mars 1999 p 141-152

Bibliographie

« L’ inclinaison magnétique en Europe dans le passe et l’argile métamorphique de Pontfarein (commune de Cezens dans le cantal) »

On sait qu’une aiguille aimantée, librement suspendue par son centre de gravité, s’incline par rapport à l’horizon. Le pôle nord dans nos pays, se dirige vers le sol : le pôle sud est en l’air.
L’angle que fait le côté nord de l’aiguille avec l’horizon s’appelle l’inclinaison : on le comptera positivement au-dessous de l’horizon ; si c’était le pôle sud qui fût en bas, nous dirions que l’inclinaison est négative.

L’inclinaison ainsi définie, est négative dans l’hémisphère austral, du moins à une latitude suffisante. Elle est négative à Rio-de-Janeiro ; elle est négative au Cap. Elle est nulle, ce qui revient à dire que l’aiguille aimantée, librement suspendue par son centre de gravité, se placerait d’elle-même dans une position exactement horizontale, en une série de lieux géographiques qui se trouvent sur une ligne qu’on appelle l’équateur magnétique.

Cet équateur magnétique ne coïncide pas avec l’équateur géographique et n’est même pas un cercle régulier de la sphère ; néanmoins il ne s’écarte pas trop de l’équateur géographique, il se tient au sud de l’équateur sur le continent américain et traverse le Brésil dans sa partie septentrionale.
Cet équateur magnétique, n’est pas fixe sur la terre. Il peut osciller un peu, allant tantôt plus au nord, tantôt plus au sud. Il paraît surtout être animé d’un très lent mouvement de rotation autour de l’axe de la terre, à la façon d’un anneau circulaire posé sur une toupie qui ne se tient pas exactement verticale.

L’inclinaison magnétique était au 1er janvier 1901, de 64° 55’ à Paris, de 66° 31’ à Dunkerque et de 59° 58’ à Perpignan.
En tous les points de la France, l’inclinaison diminue actuellement de 1’ à 2’ par an. La comparaison des observations actuelles avec les observations anciennes qui datent d’un peu plus de trois siècles, a conduit à penser que l’inclinaison à Paris a passé par un maximum en 1666, et que depuis lors, elle a diminué, et diminuera encore jusqu’en l’an 2114.

Dans ce laps de temps de 450 ans, l’inclinaison dans nos pays aura diminué d’une dizaine de degrés, pour augmenter à nouveau de la même quantité dans les quatre siècles et demi qui suivent, et repasser par la même série de valeurs successives au bout de 900 ans.

Cette vue de choses n’est qu’une première approximation. L’allure qu’affecte la variation avec le temps des éléments du magnétisme terrestre en France, n’est pas celle d’une grandeur périodique simple, analogue à l’élongation d’une branche de diapason qui vibre. Elle est plutôt comparable à la pression en un point de l’air qui transmet un son complexe ou un bruit. Le mouvement complexe peut en pareil cas, être décomposé en une série de mouvements périodiques simples, de périodes décroissantes : c’est l’explication qu’a donnée Helmholtz du timbre des sons, par la superposition d’une série d’harmoniques au son fondamental. Gauss a, de même, fait voir que la distribution du champ magnétique à la surface de notre globe pouvait être considérée comme due, non plus à un aimant unique qui tournerait autour de l’axe du monde en 900 ans, mais à une série d’aimants dont les intensités d’aimantation sont de plus en plus petites et qui tournent, eux aussi, autour de l’axe de la terre, mais avec des vitesses variables.

Ces idées de Gauss on été reprises, en utilisant les observations modernes, par le physicien suédois Carlheim-Gyllenskiöld connu par ses travaux de magnétisme, et notamment par l’heureuse exploration qu’il a faite, à l’aide de la boussole et avant tout travail de sondage, des mines de fer de la montagne de Kiinenavaara, en Laponie.

Carlheim-Gyllenskiöld, a montré que l’on représente bien les observations magnétiques des trois siècles dont on dispose, en superposant une série d’aimantations considérées comme dues à autant d’aimants distincts et dont chacune accomplit autour de l’axe de la terre une rotation complète en un période de quelques siècles : 3 siècles, 5 siècles,7 siècles pour les unes ; 14 siècles, 18 siècles, 31 siècles pour d’autres. Pour celles qui tournent relativement vite, en 3 ou 5 siècles, il y aurait non seulement rotation, mais oscillation dans la grandeur de l’aimantation pendant qu’elles tournent. Pour celles des aimantations qui tournent plus lentement, en 20 ou 30 siècles, au contraire, il n’y aurait pas de variation de l’amplitude de l’aimantation pendant leur rotation.
On conçoit qu’avec une pareille superposition complexe, on arrive à retrouver le résultat fondamental qu’au bout de 900 ans, on retombe à peu près sur le même état magnétique du globe terrestre, mais cependant avec des différences qui peuvent s’exagérer au bout de deux, de trois périodes de 900 ans.

Les considérations théoriques, dira-t-on, quel intérêt peuvent-elles représenter ? On n’a pas encore, bien loin de là, une période entière de 9 siècles d’observations magnétiques ; comment espère-t-on déduire quelque chose de certain sur l’avenir magnétique ou sur le passé magnétique lointain de notre globe ?

A coup sûr, une théorie fondée sur des observations de trois ou quatre siècles seulement, et qui ne sont bien précises que depuis un siècle environ, ne saurait prétendre nous renseigner avec une absolue certitude sur ce qui s’est passé il y a quelques centaines de siècles ou sur ce qui pourra se passer dans une égale période de temps. Il n’en est pas moins vrai que si cette théorie, comme c’est le cas pour celle qu’a élaborée Carlheim-Gyllenskiöld, conduit à des résultats qui, pour la période connue, cadrent admirablement avec l’observation directe, elle présentera un haut degré de probabilité.

Or, l’une des conséquences immédiates de la théorie de Gauss et de ses successeurs est qu’elle nous donne un équateur magnétique plus ou moins sinueux, plus ou moins ondulé, mais en définitive, toujours compris entre le quinzième degré de latitude nord et le quinzième degré de latitude sud et par conséquent, toujours entièrement compris dans la zone torride. De là résulte que dans la zone tempérée de l’hémisphère nord, l’inclinaison doit avoir toujours été positive, et qu’elle doit toujours été négative dans l’hémisphère sud.

C’est ce qui explique qu’à l’apparition des beaux mémoires de Giuseppe Folgheraiter sur l’aimantation des poteries étrusques et pompéiennes et sur l’inclinaison magnétique dans l’antiquité, les physiciens aient loué l’ingéniosité de la méthode, et mais aient manifesté un certain scepticisme à l’égard du résultat fondamental.

Ce résultat, on le connaît. Folgheraiter a montré que l’argile cuite , transformée en brique, est aimantée d’une façon très faible, mais excessivement stable  : elle garde la direction d’aimantation du champ magnétique dans lequel elle a été cuite. Un vase, cuit au four en position verticale, garde une aimantation oblique, qui a la direction qu’aurait eue l’aiguille aimantée de la boussole d’inclinaison, au point et au moment où la cuisson a eu lieu. Si ce vase de terre cuite s’est brisé, et si les débris sont restés enfouis pêle-mêle durant des siècles, il est possible de reconnaître que, dans chacun d’eux, la direction d’aimantation est restée la même si on la rapporte au fragment remis en place, tandis que cette direction varie de l’un à l’autre de la plus régulière façon si l’on compare les fragments divers tels qu’ils gisent dans la fouille.

C’est la preuve que d’être restés plusieurs siècles, une fois cuits, dans une direction absolument quelconque par rapport au champ terrestre, n’a pu modifier en quoi que ce soit, dans les briques, la direction initiale de l’aimantation.

La comparaison de vases de diverses époques, allant du VIIe siècle avant notre ère jusqu’au Ier siècle de notre ère, l’a conduit à la conclusion que l’inclinaison magnétique a été voisine de zéro au VIe siècle avant Jésus Christ et a du être négative (entre 3° et 14°) au VIIe siècle.
Ce résultat contredisait sur un point essentiel les théories de Gauss et ses successeurs.

On a fait remarquer, d’abord, que les nombres trouvés pour l’inclinaison négative étaient toujours faibles (on n’a atteint qu’une fois 14 degrés) ; ensuite que, pour grande que fût la probabilité de vases cuits en position verticale, on n’avait jamais trouvé le vase en place dans le four du potier. Ces objections sont loin d’être décisives. Il n’en est pas moins vrai qu’elles rendaient particulièrement désirable la découverte de faits nouveaux destinés à trancher, dans un sens ou dans l’autre, la question de l’inclinaison négative.

Je crois avoir trouvé l’un de ces faits, dans l’étude d’une carrière de brique naturelle ou d’argile métamorphique, qui existe près du pont de Pontfarein (commune de Cézens, arrondissement de Saint-Flour), et qui m’a été signalée par mon confrère de la «  Haute-Auvergne », M. Vinay, ingénieur des ponts et chaussées à Saint-Flour. Dans des communications antérieures, publiées en collaboration avec M. Pierre David, j’ai appelé l’attention des géologues et des physiciens sur les propriétés magnétiques de cette brique naturelle qu’ont produite, dans les régions volcaniques, les coulées de laves quand elles sont venues s’épandre sur des couches d’argile. La direction d’aimantation dans cette argile est, en général, bien uniforme dans tout un banc ; elle est la même, ce qui est capital, dans l’argile et dans la roche volcanique, basalte ou andésite, qu’a donnée la lave supérieure en se refroidissant. Et cette direction est, en général, très différente de la direction que prendrait actuellement l’aiguille aimantée au même lieu.

Dans une conférence faite à Aurillac, le 18 mai 1902, lors du Congrès que tint dans le Cantal la Société des Amis de l’Université d’Auvergne, j’avais donné les premiers résultats des recherches entreprises par nous dans cette voie. J’ai repris avec plus de détails cet exposé, en insistant sur les résultats nouveaux, - et plus spécialement sur celui que donne la brique de Pontfarein – dans une conférence que j’ai faite à Liège, le 28 août dernier, à l’Exposition Universelle, sous les auspices du Ministère français de l’Instruction publique, qui avait chargé un certain nombre de savants français d’aller exposer devant ce public international les principales recherches scientifiques poursuivies en ces dernières années dans les Universités françaises.

Je tiens à donner ici quelques indications pratiques qui pourront intéresser ceux de mes compatriotes qui seraient disposés à devenir pour moi, à l’exemple de certains d’entre eux, des collaborateurs bénévoles.

Pour pouvoir étudier utilement la direction d’aimantation permanente dans une couche d’argile cuite naturelle ou d’une roche magnétique quelconque, il faut avant tout partir de la roche en place. Un échantillon détaché de la roche ne sert absolument à rien, si l’on n’a pas pris soin de repérer son orientation par rapport au bloc dont il a été détaché.

Nous commençons toujours à dresser dans la roche à étudier une surface bien horizontale, nous vérifions l’horizontalité au niveau à bulle d’air. Comme l’échantillon à détacher doit être amené à la forme cubique et aux dimensions de un décimètre cube autant que possible, il faut dresser une surface horizontale notablement plus grande que un décimètre carré.
Sur cette surface on tracera aussitôt, à l’aide d’une boussole de poche, la direction actuelle de l’aiguille aimantée  : on l’indique par une flèche, dont la pointe est tournée vers le Nord magnétique. Avant de détacher le bloc, on prend la précaution complémentaire de dresser, en s’aidant du fil à plomb, une face verticale, qui sera par exemple perpendiculaire à la direction de l’aiguille aimantée : ce sera, suivant la disposition du bloc, la face Nord ou la face Sud. Cela fait, on détache un bloc plus gros que celui qu’on veut garder, mais qui peut être informe, et qu’on achève de tailler à l’atelier, mais en se gardant absolument de faire aucune retouche aux deux faces que l’on a dressées sur place. La seule et unique marque que portera le cube finalement taillé est la flèche tracée sur la face horizontale supérieure : on pourra par la suite soit coller une étiquette, soit inscrire avec un pinceau un numéro d’ordre ; mais on ne gravera sur la pierre rien autre chose que la flèche marquée avant de l’avoir détachée.

L’échantillon cubique ainsi repéré est apporté auprès d’un appareil très sensible que nous avons à l’Observatoire, au sommet du Puy–de-Dôme, et qui permet d’étudier son aimantation dans les diverses directions, c’est dans le sens vertical de haut en bas, dans le sens Nord-Sud et dans le sens Est-Ouest. Ayant les valeurs de l’aimantation dans les diverses directions, on peut en déduire la grandeur de l’aimantation totale, et aussi la direction de cette aimantation par rapport à la verticale et par rapport au méridien magnétique actuel. La grandeur de l’aimantation est généralement très faible ; elle peut descendre à un millionième à peine de l’aimantation d’un bon acier. Mais elle est suffisante pour que la direction, qui est ce qui nous intéresse avant tout, puisse être exactement déterminée. Il suffit pour cela d’avoir un instrument assez sensible, ce qui suppose qu’on l’emploie en un lieu où l’on n’est troublé ni par des trépidations ni par des courants électriques tels que ceux que donnent les tramways.
Si par malheur on laissait monter au Puy-de-Dôme un tramway électrique, nous n’aurions qu’à plier bagage en ce qui concerne nos observations magnétiques. Nous ne pouvons les faire à Clermont-Ferrand.
Cela étant, lorsque dans un banc de brique naturelle, on trouve une direction d’aimantation bien constante, on a tout lieu de penser que cette direction est celle qu’aurait eue l’aiguille aimantée à l’époque de l’éruption qui a cuit la couche d’argile. Une première couche de brique, étudiée à Royat, par Mr David et moi, nous a donné une inclinaison magnétique de même sens que l’inclinaison actuelle, mais plus forte : l’angle d’inclinaison est de 70 degrés environ.
Dans une autre carrière étudiée, près du village de Beaumont, aux environs de Clermont, l’inclinaison est plus voisine de l’inclinaison actuelle : elle varie de 55 à 60 degrés. Dans un certain nombre d’autres carrières bien étudiées, parce qu’elles n’ont fourni que des échantillons plus rares ou moins beaux, on a eu des résultats analogues.

A Pontfarein, j’ai bien retrouvé l’un des résultats essentiels que nous ont donné constamment les autres carrières, à savoir, que la direction d’aimantation est la même dans le basalte qui est au-dessus de la brique et dans la brique elle-même. Mais par contre, nous avons trouvé là une inclinaison négative. La base supérieure des cubes de lave ou de brique agit comme un pôle Nord, et non pas, comme c’est le cas pour les autres carrières étudiées, comme un pôle Sud. La face verticale des cubes de Pontfarein qui est actuellement du côté Sud agit comme un pôle Nord.
En sorte que si la direction de l’aimantation donne fidèlement la direction du champ terrestre à l’époque de la coulée, nous pouvons dire que, à cette époque lointaine, c’était bien encore le pôle alors dirigé vers le Nord, qui était dirigé vers le bas, mais ce pôle était le pôle opposé à celui qui prend aujourd’hui la direction Nord. L’inclinaison négative, a ici une valeur d’environ 75 degrés.

Il en est ainsi sur chacun des échantillons étudiés dont quelques-uns sont pris à des distances de 100 mètres l’un de l’autre. Ici l’argile a été cuite sur place, et n’a certainement pas bougé depuis la cuisson, ce qu’on ne pouvait pas dire des vases du VIIe siècle avant Jésus-Christ étudiés par Folgheraiter. Si un cataclysme avait mis la brique sens dessus dessous, la brique serait actuellement au-dessus du basalte et non pas au-dessous. Si une aussi formidable anomalie était due à une cause purement locale, il en resterait probablement quelque trace : on n’en trouve pas. Il semble donc bien qu’on doive conclure que dans cette partie de l’Auvergne, à un moment de l’époque miocène, l’inclinaison a pu être négative.

Si, après discussion, ce résultat confirme, nous pensons que l’on ne pourra plus, sans en tenir compte, tenter aucune explication de l’origine et de l’histoire du magnétisme terrestre.