Dynamique Globale

Dynamique globale I. Formation des planètes a. L’univers 

Eratosthène avait découvert au solstice d’été qu’il n’y avait pas d’ombre dans un puits à Syène tandis qu’au même moment un obélisque situé à Alexandrie générait une ombre. Il put mesurer l’angle entre les rayons solaires et en a déduit la circonférence de la Terre (40 000km) grâce à la distance Syène-Alexandrie. Il a ainsi montré que la Terre était ronde.

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Taille de la lune : La lune passe dans l’ombre de la Terre tous les deux ans et bouge à une vitesse régulière. Il a chronométré le temps que la lune met pour entrer dans l’ombre (noté t1) et le temps pour traverser l’ombre (t2) : t1/t2 = Diamètre de la lune/Diamètre de La Terre. Distance Terre/Lune : 382 000 km (un peu plus aujourd’hui : 384 400) Distance Terre/Soleil : 149.106 km = 1 U.A. Diamètre Soleil : 1 200 000 km (la lumière le traverse en 4s.) L’étoile la plus proche de nous est à 3 années lumière. Donc la taille des objets est beaucoup plus petite que la distance qui les sépare : le ciel est vide. Positions des objets par rapport à nous : La parallaxe : plus l’astre considéré est proche, plus son changement de direction lié au déplacement de l’observateur est important. 1°=60’

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Galaxies :   

1 centre, des bras en spirales (ex la galaxie Whirlpool). La voie lactée comporte entre 100 millions et 1 milliard d’étoiles. Diamètre 100 000 A.L. Distance entre deux galaxies : 1 000 000 d’AL. (de 1 à 10 fois la taille d’une galaxie). Dans une même galaxie 2 étoiles n’ont aucune chance de se rencontrer mais 2 galaxies peuvent se télescoper. Les galaxies sont proches les unes des autres.

Vitesse des galaxies :

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Elles ne sont pas dispersées dans le ciel de manière aléatoire, pour estimer leur déplacement et leur vitesse, on utilise l’effet Doppler. Si un objet vient vers nous les longueurs d’onde sont plus courtes devant et plus longues derrière. On étudie alors les longueurs d’onde émises par les étoiles : c’est la spectroscopie. Par exemple, on réalise le spectre de raies d’absorption du sodium. On fait la mesure sur le soleil puis sur une autre galaxie, on retrouve les mêmes raies légèrement décalées. Donc d’après l’effet Doppler, les galaxies qui émettent les longueurs d’onde les plus longues sont celles qui s’éloignent. Il n’existe pas de galaxie qui émette des longueurs d’onde plus courtes et qui se rapprochent.  Hubble : décalage du spectre. ∆𝜆 𝑉𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 = 𝜆 𝑐

Les plus grands décalages sont obtenus pour une longueur d’onde de 1 (leur vitesse vaut donc presque c). Ces objets s’éloignent de nous à la vitesse de la lumière. En résumé : o Aucun objet ne vient vers nous o Certains s’éloignent à la vitesse de la lumière o On n’a pas encore trouvé d’autre matière que sur terre. Les Quasars s’éloignent de nous à la vitesse de la lumière, ils sont rouges. D’après Hubble, les galaxies lointaines s’éloignent très rapidement (Quasars) tandis que les galaxies proches s’éloignent lentement. Ex : la galaxie de la vierge est proche de nous, elle bouge beaucoup quand on l’observe (effet parallaxe) et c’est la grande galaxie de notre groupe, elle s’éloigne à faible vitesse. Hubble a imaginé une théorie sur la formation de l’univers : il propose que l’univers a explosé il y a 13,7. 109 ans et que depuis tout s’éloigne du centre de l’explosion. On retrouve en effet les mêmes éléments partout. De plus lorsqu’on regarde des objets très loin de nous ils nous montrent des images du début de la galaxie. D’après Gamow, il doit rester quelque chose de l’explosion : un rayonnement de 2,7°K. Penzias et Wilson ont remarqué avec leur récepteur radio un parasite permanent qui y correspondrait. Ce rayonnement est le reste du Big-bang.

Points importants :     

Les objets célestes très éloignés sont immobiles sur la voûte céleste (parallaxe) La vitesse relative des objets se mesure au décalage des spectres vers le rouge (effet Doppler-Fizeau) Les galaxies les plus éloignées sont celles qui nous fuient le plus rapidement Un modèle de formation de l’Univers doit inclure: la fuite des galaxies, la composition chimique unique, le rayonnement fossile à 2,7 K A la suite d’un Big-bang survenu il y a 13,7 109 ans, toutes les galaxies s’éloignent d’un centre unique.

b. Nucléosynthèse :

Phase cosmique : Ce sont les physiciens qui y travaillent. La phase cosmique équivaut au tout premier moment de l’univers. : 

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1er millionième de seconde : se forment les Quarks (Up : +2/3, Down : -1/3) qui se regroupent par 3 : UUD (4/3-1/3=1 proton) DDU (-2/3+2/3=0 : 1neutron) (il y a 5 fois plus de neutrons que de protons) Pendant 10-4 s. la T° a chuté à 1013 K (parti à 1030) Après une seconde, création des neutrons et des neutrinos (particules qui passent à travers la Terre) Après quelques secondes se forment les éléments les plus simples : Hydrogène, Hélium, un peu de Lithium. T°=103 K Pendant 1 million d’années il continue de se former de l’H et de l’He et du Li, avec des électrons qui circulent et se refixent sur les atomes. La T° descend à 3000K. Les forces en action sont liées à l’énergie qui lie les électrons des atomes. Puis apparaît la gravité (sinon rien n’aurait changé) autour de nuages de matière, les plus grands nuages attirant les plus petits, et ainsi de suite.

Phase stellaire : Très lentement il y a formation d’étoiles et de galaxies. Dans les nuages les plus grands la T° monte (jusqu’à 107 K), augmentant les chocs et les frottements. Ainsi les réactions nucléaires continuent. L’He va beaucoup participer à ces réactions. Mes autres éléments apparaissent par association d’He et d’H (association prioritaire de 2 ou 3 He). Ainsi les étoiles vont brûler leur He et leur H (avec au départ 10x plus d’H que de He). Le cœur de l’étoile va augmenter en masse, pression et T°, tandis que la périphérie va s’alourdir. Si l’étoile est trop grosse, la T° dépasse le milliard de K et elle explose (supernova). Lorsqu’une étoile explose elle envoie dans l’univers tous les éléments qu’elle a fabriqués.

Vie des étoiles : Si on observe les étoiles la plupart font partie d’une série principale dans laquelle elles restent la plus grande partie de leur vie et pendant laquelle elles brûlent leur He et H. Les grosses étoiles deviennent rapidement des géantes rouges. Leur cœur se contracte et passe vite dans la branche horizontale et explose (supernova). Il ne reste plus qu’un résidu qui tourne sur luimême et qui envoie des photons : le Pulsar, qui nous envoie son rayonnement quand le fuseau est tourné vers nous.

Etoile type soleil : met 5 millions d’année à partir de la bande géante rouge. Elle part de la branche horizontale mais n’explose pas. Il gonfle ensuite et devient une petite naine blanche ou moins. Pour partir de la terre il faut atteindre 11km/s. Pour partir de la Lune 2km/s. Pour un Pulsar 300 000km/s. La lumière ne peut pas s’en échapper, formation d’un trou noir.

Phase interstellaire : Nébuleuse : nuage qui reste après l’explosion d’une super nova. Premiers composés : H2, H2O, CO2, H2S, NH3, C2H5OH, les mêmes qu’on trouve dans les premiers nuages des super novas. Notre soleil qui a 4,65.109 ans apparut longtemps après la formation de l’univers.

Points importants :        

Dans l’Univers: 90% d’H, 9% d’He, 1% le reste Les éléments pairs mieux représentés que les impairs Li, Be et B très rares; le Fe très bien représenté Aux premiers instants, Quarks U et D forment protons et neutrons H et He se forment, c’est la fin de la nucléosynthèse primordiale Dans les étoiles (après 106 ans) les éléments lourds se forment, en privilégiant les multiples de 4 et 2 (He) Quand elles ont brûlé tout leur H, les étoiles meurent Les plus grosses explosent et dispersent ces éléments (dont Li, Be et B).

c. Structure des planètes.

Nébuleuses : De temps en temps des nuages de matières se concentrent. 1 bras de galaxie= bouchon où les étoiles vont moins vite et sont plus serrées. Un nuage de matière passant dans un bras de galaxie a pu s’allumer.

Météorites : Les météorites sont les témoins de ces bouchons. Deux catégories : les chondrites, datées à l’Uranium 238 et 235, par datation on apprend que les chondrites ont 4,565.109 années. Les achondrites sont apparues un peu plus tard.

Différenciation : Les chondrites et les météorites sont les plus primitives. La différenciation va fabriquer un soleil et des planètes mais de manière inégale. 99,9% de matière pour le soleil, 0,1% pour l’ensemble des planètes. Planètes du système solaire :  

Soleil : tâches et granulés à sa surface. Cycle du soleil de 11ans. Mercure : 2439km de diamètre, très dense, pas d’atmosphère => impacts météoriques encore

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présents. Une pointe au centre des impacts montre que Mercure était encore molle lorsqu’elle a subit l’impact. Venus : 6052km. T° surface : 474°. Atmosphère composée d’acide sulfurique. Lune : 4 hypothèses pour sa formation : Un corps double formé en même temps que la terre (impossible car la Terre possède du Fer dans son noyau pas la Lune) Un objet capturé par gravité (ne marche pas car trop massif) Thèse de la fission : la Terre aurait éjecté la Lune car elle tourne très vite. (impossible car elles n’ont pas le même plan de rotation). Collision entre un objet et la Terre. Mars : Plus petite que la terre, possède des champs de dunes. Jupiter : Rayon de 71 400km, grosse planète gazeuse. Comète : En périphérie du système solaire, passe de temps en temps quand elle en a l’occasion.

Points importants :        

Chondrites non différenciées, elles ont 4,565 109 ans Achondrites différenciées, 4,550 109 ans Soleil et planètes résultent de la condensation d’un nuage unique il y a 4,6.109 ans, suivi d’une différenciation; Le soleil représente 99,9% de la masse du système solaire, il est mou (rotation des taches) La Terre s’est formée par un bombardement de météorites entre 4,6 et 4.109 ans 4 planètes telluriques, 4 planètes géantes, et Pluton… Toutes les planètes tournent dans le même plan et dans le même sens, sauf Pluton Proportionnalité entre période et distance de rotation

II. Structure de la Terre : a. Gravimétrie :

Densité de la Terre : 𝐹 = 𝑚. 𝑎

𝐹 = 𝐺. 𝑀

𝑚 1.𝑚2 𝑑2

𝑃 = 𝑚. 𝑔 = 𝐺.

𝑀.𝑚 𝑅²

donc : 𝑔 = 𝐺. 𝑅² G découvert par Cavendish en 1798 : G= 6.67.10-11 m3.kg1 .s. On obtient M=5,97.1024kg. Ce qui nous donne la densité et donc la masse volumique (M/V) = 5,52.103kg.m-3. Densité moyenne des matériaux : 2,7 à 2,8, la plus grande étant de 3,3. Donc la densité est beaucoup plus importante à l’intérieur.

Forme de la terre : Ellipsoïde et géoïde. Cassini invite le Tachéomètre (mesure de distances à partir de deux angles). Newton crée un modèle de la forme de la terre basé sur 2

forces :  

La force centrifuge qui est nulle aux pôles La gravité qui ne change pas

On remarque qu’il y a aplatissement de la Terre à hauteur de 1/298 (voir schéma). Le géoïde de la terre provient des creux des océans. Sans les montagnes la terre n’est pas elliptique, le niveau 0 variant à + ou – 100m au dessus de l’ellipsoïde.

Anomalie de Bouguer : Gravimétrie : on cherche g sur le géoïde en tout point, on mesure la même masse à des endroits différents.

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Correction de l’altitude : Δg = 0,386.Δh (variation d’altitude) Correction du plateau : Δg = -0.1118.Δh Autre correction liée à la topographie.

L’anomalie de Bouguer permet d’établir : g mesuré-g théorique. (>0 sous les océans : croûte très mince, <0 sous les continents : croûte épaisse). Points importants :      

La masse volumique de la Terre vaut 5,52 103 kg/m-3 « g » vaut 9,83 m.s-2 au pôle et 9,78 à l’équateur L’ellipsoïde de Clairaut a un aplatissement de 1/298,257 Le géoïde est une surface équipotentielle du champ de gravité, il correspond à la surface des océans L’écart entre la mesure corrigée de g et la valeur calculée à partir de l’ellipsoïde s’appelle l’anomalie de Bouguer Cette anomalie est négative sous les continents et positive sous les océans.

b. Sismologie Séisme : Le parasismique : Pour mesurer l’échelle sismique est l’échelle de Richter. La plus haute mesure à ce jour est 9,2, sachant qu’il n’y a pas de maximum. Ce séisme fait bouger une faille longue de 1000km. 10 de magnitude implique 15 000km. Sachant que la Terre fait 13 600km de diamètre, il serait difficile de couper la terre en deux… Un séisme est une faille qui bouge.

La brutalité d’un séisme est due à l’énergie élastique emmagasinée par les roches. Les ondes P sont

plus rapides que les ondes S, et elles arrivent avant. Soit ΔT le temps d’écart entre une onde P (émise 𝑥

𝑥

𝑥

𝑥

à Tp) et une onde S (à Ts). ΔT=𝑇𝑠 − 𝑇𝑝. 𝑇𝑝 = 𝑉𝑝 Et𝑇𝑠 = 𝑉𝑠 . 𝛥𝑇 = 𝑉𝑠 - 𝑉𝑝 = 𝑥 Soit : 𝑥 =

𝛥𝑇.𝑉𝑝𝑉𝑠 . 𝑉𝑝 −𝑉𝑠

1 𝑉𝑠

1

𝑉𝑝 −𝑉𝑠

− 𝑉𝑝 = 𝑥( 𝑉𝑝𝑉𝑠 ).

Ensuite, la triangulation de 3stations permet de situer l’épicentre du séisme. Après un gros séisme, il peut se produire plusieurs centaines de répliques pour accommoder le déplacement de la plaque. Propagation des ondes sismiques : Ondes P : Ondes de compression (effet accordéon), se propagent dans les solides et les liquides. Ondes S : Ondes de cisaillement, moins rapides et parviennent à se propager dans les solides. Les ondes sismiques suivent les lois de la réfraction et de la réflexion de Descartes : sin 𝑖1 sin 𝑖2 = 𝑉1 𝑉2 𝑉1 La vitesse des ondes sismiques augmente avec la profondeur. Donc on obtient souvent sin 𝐼1 = 𝑉2 Points importants : -

Les ondes sismiques résultent des tremblements de terres Les ondes P sont compressives et rapides, les ondes S sont cisaillantes Les ondes P traversent solides et liquides, les ondes S seulement les solides Ces ondes se réfléchissent et réfractent, comme la lumière Les ondes réfractées (coniques) permettent le connaître la vitesse de propagation en profondeur; Les ondes directes dessinent, sur le globe, une zone d’ombre entre 105°et 142°du foyer Au-delà de 142°, seules les ondes P ressortent, une partie du noyau terrestre est donc liquide; La croûte est limitée à sa base par le Moho sismique (limite entre la croûte terrestre et le manteau supérieur, Vp passe de 5 à 6,9 km/s; Dans le manteau Vp augmente de 8,1 à 13,7 km/s, elle chute à 8 km/s dans le noyau.

Modèles thermiques : La T° augmente de 30° par km d’enfoncement dans la croûte. La T° max de la Terre est de 6000°C. Dans la partie superficielle c’est la conduction qui agit pour transférer la chaleur. A une plus grande profondeur, la T° est homogénéisée par brassage (convection) :

Convection (Wikipédia) : La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportéeconduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. masse volumique) et montent ; ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité et plongent. La chaleur est alors transférée de manière beaucoup plus efficace que par la conduction thermique ou le rayonnement, qui sont les deux autres modes de transfert de chaleur. C'est beau la casserole. Ce phénomène physique très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole, manteau terrestre, étoile, ...) sous des formes diverses.

c. Tectonique des plaques : Wikipédia. (Dérive des continents) La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression en surface de la convection qui se déroule dans le manteau terrestre. La lithosphère, couche externe de la Terre est découpée en plaques rigides qui flottent et se déplacent sur l'asthénosphère, plus ductile. Les premiers concepts, balbutiés dès le XVIIIe siècle, ont été scientifiquement formulés en 1912 par le climatologue allemand Alfred Wegener à partir de considérations cartographiques, structurales, paléontologiques et paléo climatiques Un peu d’histoire… Alfred Wegener propose en 1912 que tous les continents connus aujourd'hui étaient rassemblés en un seul supercontinent (la Pangée); celui-ci se serait fracturé en blocs qui, tels des radeaux, ont dérivé loin les uns des autres pour aboutir à la distribution actuelle des continents. La théorie de Wegener est mise de côté par les scientifiques de l'époque, car il lui manquait une justification quant au «moteur» des mouvements des différentes plaques. L'origine des forces nécessaires à ces déplacements est aujourd'hui connue et argumentée : c'est la convection interne terrestre. Ce n'est qu'à partir des années 1960 que de nouvelles données, provenant notamment de l'étude des fonds sous-marins, ont permis de construire et de valider le modèle de la tectonique des plaques. La théorie synthétique de la tectonique des plaques a été énoncée finalement en 1967 par l’américain Jason Morgan, le britannique Dan McKenzie et le français Xavier Le Pichon. Le modèle actuel :

Schéma général des différents types de volcanisme associés aux mouvements des plaques tectoniques On admet à présent que les plaques tectoniques sont portées par les mouvements du manteau asthénosphérique sous-jacent et subissent des interactions dont les trois types principaux sont : 

La divergence : se dit d'un mouvement éloignant deux plaques l'une de l'autre, laissant le manteau remonter entre elles. Leur frontière divergente correspond à une ride océanique ou dorsale, lieu de création de lithosphère océanique et théâtre de volcanisme intense. Le volcanisme au niveau des dorsales est généralement basaltique, avec une géochimie tholéiitique. C'est à travers ce mouvement que se crée la croûte lithosphérique (couche rigide située au dessus du manteau supérieur) :

Modèle de tectonique des plaques 

La convergence : se dit d'un mouvement rapprochant deux plaques l'une de l'autre, compensant ainsi l'expansion océanique en d'autres zones du globe. Trois types de frontière de plaques convergente accommodent le rapprochement : o Une zone de subduction là où une plaque (en général la plus dense) plonge sous une autre, moins dense ; le volcanisme au-dessus des zones de subduction est généralement andésitique, avec une géochimie calco-alcaline. La côte ouest de l'Amérique du Sud en est un exemple. o Une zone de collision, là où deux plaques se confrontent. C'est le cas notamment de la chaîne de l'Himalaya, à la frontière entre la plaque indienne et la plaque eurasienne. o Une zone d'obduction, là où une lithosphère océanique est transportée sur un continent. On ne connaît pas d'obduction actuellement active à la surface du globe terrestre.

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La transcurrence : se dit du glissement horizontal de deux plaques, l'une à côté et le long de l'autre.

À ces trois types d'interaction sont associées les trois grandes familles de failles :

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Une faille normale est divergente (extensive) ; Une faille inverse est convergente (compressive) ; Un décrochement est transcurrent (les axes d'extension et de compression sont dans le plan horizontal).

L'origine de la force qui rend les plaques mobiles est discutée : elle peut être liée à la contrainte cisaillante entre la croûte et l'asthénosphère (liée à l'importance du couplage entre les deux), au poids de la croûte subductante (qui « tire » toute la plaque) ou à la poussée à la ride (le poids de la jeune croûte en haut de la ride « pousse » toute la plaque). Ces possibilités ne sont pas exclusives, mais les contributions relatives dans le mouvement sont très discutées et dépendent des études. Tectonique des plaques et convection dans le manteau : La Terre possède une chaleur importante du fait de la radioactivité (désintégration du potassium, de l'uranium et du thorium) et de la chaleur d'accrétion initiale. Elle se refroidit en évacuant la chaleur à sa surface. Pour cela, on connaît trois mécanismes : conduction thermique, convection et transfert radiatif. Au niveau du manteau terrestre, la majeure partie du flux de chaleur est évacuée par la mise en mouvement des roches (convection). La convection est induite par la présence de matériel chaud (donc moins dense) sous du matériel moins chaud (donc plus dense). Ces mouvements, très lents (de l'ordre de 1 à 10 cm/an) sont à l'origine des mouvements des plaques tectoniques et des points chauds. Retour au cour de ce cher Francis : On pense que c’est la convestion thermique interne du noyau externe liquide qui influence le champ magnétique. Le noyau interne n’influence pas car à T°>600°C, le Fer perd ses propriétés magnétiques. L’inclinaison varie en fonction de la position sur Terre. tan 𝐼 = 2. tan 𝐿 (L : latitude) Ex : Toulouse, L=43° I=62° d’inclinaison. Les minéraux magmatiques ferreux s’orientent selon le champ magnétique durant leur refroidissement. C’est le paléomagnétisme : Paléomagnétisme (Wikipédia) : Le paléomagnétisme désigne le champ magnétique terrestre passé, et par extension l'étude de ses propriétés. On désigne parfois celui de la période historique par le nom d'archéomagnétisme.

Principe : Au moment de la solidification d'une roche, les corps ferromagnétiques présents dans la roche s'orientent en fonction du champ magnétique terrestre de l'époque et conservent cette orientation (rémanence thermomagnétique).

Applications : Géologie On dispose d'un enregistrement constant du magnétisme terrestre dans les zones d'expansion océanique. Les roches en fusion provenant du manteau remontent à la surface du fond marin au niveau des dorsales océaniques, entrent en contact avec l'eau de mer et se refroidissent. On retrouve ainsi des anomalies magnétiques allongées parallèlement aux dorsales océaniques et symétriques par rapport à celles-ci. Le paléomagnétisme permet aussi de connaître l'orientation des plaques tectoniques à différentes époques géologiques correspondant à des anomalies magnétiques connues. Il est aussi possible de retrouver la position des plaques tectoniques à une certaine époque. Si on a repéré les mêmes

anomalies de part et d'autre d'une dorsale océanique et que l'on connaît l'âge des ces roches, il suffit d'enlever la partie du plancher océanique comprise entre ces anomalies pour retrouver la position des plaques à cette l'époque. Retour au cour de ce cher Francis : Etude du champ magnétique océanique : Existence de zones de maxima et de minima : - Maxima quand le champ océanique est dans le même sens que le champ terrestre - Minima lorsqu’il est opposé. L’océan pacifique débite beaucoup plus vite de riches que l’océan Atlantique car il y a plus de roches jeunes dans le plancher pacifique. Points chauds : alignements de volcans, avec le volcan actif en bout de chaine. La plaque avance sur la source de magma (création de corail). On peut observer les variations des mouvements de plaques grâce aux points chauds. Des mesures GPS de 70 points chauds qui ne bougent pas montrent que la lithosphère terrestre bouge de 2cm vers l’Ouest par an. A noter qu’il est plus facile de casser une lithosphère continentale qu’une vieille lithosphère océanique. Points importants : - Depuis Wegener, la mobilité des continents est reconnue. - Les plaques sont limitées par les volcans actifs et les zones sismiques - Il existe une douzaine de grandes plaques lithosphériques - Certaines roches sédimentaires et magmatiques peuvent enregistrer les orientations du champ magnétique terrestre, déclinaison et inclinaison - Le champ magnétique terrestre s’inverse de façon non périodique - Les dorsales océaniques qui s’ouvrent en permanence.