Le noyau interne de la Terre n'est pas aussi solide qu'on le pensait. © 3D motion, Adobe Stock
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Le noyau interne de la Terre n’est pas vraiment solide !

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Jusqu'à présent considéré comme solide, le noyau interne de la Terre serait en réalité dans un état intermédiaire, entre le solide et le liquide. C'est ce que démontre une nouvelle étude, dont le modèle numérique permet de résoudre de nombreuses observations sismologiques.

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[EN VIDÉO] Le noyau de la Terre reconstitué en laboratoire  En faisant tourner du sodium liquide autour d'une sphère de 23 tonnes, les géophysiciens de l'université du Maryland simulent les conditions qui règnent autour du noyau de notre Planète. But du jeu : comprendre pourquoi la Terre est la seule planète tellurique du Système solaire à posséder un champ magnétique important qui nous protège des colères du Soleil. Voici cette étonnante expérience en vidéo. 

La Terre comprend différentes enveloppes géologiques : la croûte, le manteau, le noyau externe et le noyau interne, encore appelé « graine ». Alors que les premiers kilomètres de croûte sont désormais bien connus, les niveaux les plus profonds font encore l'objet de nombreuses questions et débats. Si d'importantes informations sont obtenues grâce à l’étude de la propagation des ondes sismiques à travers ces milieux profonds, la composition exacte du noyau ainsi que les mécanismes physico-chimiques qui le gouvernent sont encore mal contraints.

Coupe de la Terre montrant les principales enveloppes. © Volcan26, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Un noyau interne « mou » ?

Si nous savons depuis plusieurs décennies maintenant que le noyau externe est constitué de fer à l'état liquide par le fait que la vitesse des ondes S (cisaillantes) est égale à 0, la nature du noyau interne est bien moins claire. La graine était jusqu'à présent considérée comme solide. Mais cette hypothèse se heurte à une observation majeure : la vitesse des ondes S qui le traversent est anormalement faible (3,6 km/sec), donnant l'impression que le noyau interne est « mou ». Il semble donc nécessaire d'envisager la présence d'une fraction fondue en son sein. Cependant, les conditions physiques régnant au centre de la Terre sont extrêmes : la pression est d'environ 350 GPa, soit 3.500.000 fois la pression atmosphérique et la température de plus de 5.000 °C. Or, les mécanismes permettant la présence d'une phase liquide sous de telles conditions sont loin d'être comprises.

C'est par l'étude de la propagation des ondes sismiques que l'on connait la structure interne de la Terre. © musée de Sismologie de Strasbourg

Un noyau interne ni solide ni liquide

Difficile en effet de reproduire ces conditions en laboratoire. C'est là qu'intervient la simulation numérique. Une équipe de chercheurs chinois a en effet réussi à étudier, par le calcul, la dynamique moléculaire pour les pression et température régnant dans le noyau interne. Ils ont ainsi pu analyser le comportement des alliages de fer dans cet environnement extrême. Leurs résultats, publiés dans Nature, montrent que, sous ces conditions, les alliages de fer (FeH, FeO et FeC) composant le noyau interne sont dans un état particulier, dit superionique. Il s'agit d'un état intermédiaire, entre solide et liquide. Grâce à leurs simulations, les scientifiques ont montré que les atomes de H, O et C, qui sont des éléments légers, se comportent au sein du noyau interne comme des liquides et se diffusent au sein de la matrice de fer.

Le noyau interne peut donc être vu comme une mixture composée de fer solide et d'éléments légers liquides, ces derniers étant animés d'un mouvement de convection. La graine terrestre n'est donc pas un solide comme on le pensait jusqu'à présent. Les chercheurs montrent que leurs hypothèses corrèlent bien avec les observations sismiques : la présence d'une phase superionique induit une décélération drastique de la vitesse des ondes cisaillantes. Une faible proportion d'éléments légers dans cet état permet d'ailleurs cette observation.

Un lien avec le champ magnétique ?

On sait déjà qu'au niveau de la transition entre le noyau interne et le noyau externe liquide, la solidification de la graine génère une chaleur latente et mène à la séparation et à la remontée des éléments légers dans le noyau externe, permettant son flux convectif. Un processus extrêmement important puisque c'est ce mouvement de convection qui assure la génération du champ magnétique terrestre. Cependant, d'après les résultats de l'étude, une petite part des éléments légers, en particulier H, O et C, se retrouvent piégés dans le noyau interne. Les conditions de pression/température font qu'ils se trouvent alors dans un état superionique, et que leur comportement peut être assimilé à celui d'un liquide. Cet état leur permet de se diffuser à travers la matrice de fer du noyau suivant un mouvement convectif.

La convection au sein du noyau externe liquide génère le champ magnétique de la Terre. © Andrew Z. Colvin, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

La présence de ces éléments à un effet significatif sur les propriétés élastiques du noyau interne. Ce modèle permet d'ailleurs d'expliquer la plupart des observations sismiques concernant la graine.

Le lien entre champ magnétique et noyau interne est par ailleurs à creuser. Il semble en effet qu'il existe certaines relations entre la structure sismique du noyau interne et le champ magnétique. L'étude de ces interactions pourrait notamment permettre d'affiner notre connaissance de sa structure et de son évolution.

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