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Terre : la température du noyau mieux connue

ActualitéClassé sous :géologie , CEA , CNRS

Le cœur de notre planète, la graine solide présente dans le noyau, aurait une température comprise entre 3.800 °C et 5.500 °C. Ces valeurs viennent d'être confirmées par des mesures... prises en laboratoire. Pour cela, de minuscules grains de fer ont été comprimés entre deux diamants, chauffés avec un laser, puis étudiés avec un faisceau de rayons X, le plus brillant qui soit.

Le montage expérimental sur la ligne de lumière ID27 de l’ESRF, où les expériences ont été réalisées. La cellule à enclumes de diamants est au centre du cylindre en cuivre. © Blascha Faust, ESRF

La Terre est comparable à une gigantesque machine thermique dont la chaleur provient en partie de son noyau, qui se situe à plus de 2.900 km de profondeur. Il se compose essentiellement de fer et est soumis à une pression supérieure à un million d'atmosphères (ou 100 gigapascals). La chaleur provenant du noyau est essentielle, car elle influence la nature des mouvements convectifs dans le manteau. Or, ils sont le moteur de la tectonique des plaques. C'est aussi cette chaleur qui permet d'entretenir le champ magnétique terrestre.

Le noyau est en grande partie liquide mais, en observant les ondes sismiques qui traversent la Terre, les sismologues savent que sa partie la plus profonde, la graine, est solide. Elle grossit même très lentement suite à la solidification du noyau liquide. À la limite entre le noyau externe et la graine, à 5.150 km de profondeur et sous une pression de 3,3 millions d'atmosphères (330 gigapascals), la température doit donc être proche de la température de fusion du fer. Ainsi, il suffit de connaître cette valeur de fusion pour estimer la température dans le noyau terrestre. Problème, les évaluations expérimentales et théoriques passées sont pour le moins divergentes.

Des chercheurs du CEA, de l'ESRF et du CNRS ont essayé de comprendre les causes de ce problème. De minuscules particules de fer, de la taille de grains de poussière (quelques microns de diamètre), ont donc été comprimées entre deux pointes de diamants, créant ainsi une pression atteignant deux millions d'atmosphères. Un faisceau laser a alors été utilisé pour chauffer les échantillons à plusieurs milliers de degrés.

Pour recréer les conditions régnant dans le noyau terrestre en laboratoire, de très petits morceaux de fer, de la taille de grains de poussière, ont été placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants ont été pressés l’un contre l’autre, afin de produire des pressions atteignant deux millions d’atmosphères et au‐delà. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 3.000 °C voire 5.000 °C, et ainsi le faire fondre. © Denis Andrault, ESRF

La Terre, cette planète au cœur chaud

Grâce à un faisceau ultra fin de rayons X de l’ESRF, l'état des échantillons, solides ou en fusion, a été déterminé par diffraction jusqu'à des valeurs de 4.800 °C et de 2,2 millions d'atmosphères. Cette technique n'avait jamais été employée car elle est très difficile à mettre en œuvre pour d'aussi petits échantillons. Les mesures, présentées dans la revue Science, ont confirmé les résultats théoriques.

Les chercheurs pensent aussi savoir pourquoi les précédentes évaluations expérimentales de la température de fusion du fer dans ces conditions différaient des calculs théoriques : un phénomène de recristallisation du fer observé pendant l'expérience en serait la cause. Extrapolées jusqu'à 3,3 millions d'atmosphères, les mesures donnent une température de fusion du fer d'environ 6.000 °C. L'accord entre les mesures et les prédictions théoriques permet maintenant d'estimer avec une meilleure précision la température dans le noyau : entre 3.800 °C et 5.500 °C, suivant la profondeur.

Dans ces conditions, le flux de chaleur qui s'en échappe serait d'environ 10 térawatts, une valeur qui confirme les résultats fournis par les modèles géophysiques du champ magnétique terrestre. Ce flux serait suffisant pour faire fondre le manteau à sa base, ce qui favoriserait des mouvements de montée de fins panaches de matériau mantellique vers la surface de la Terre. Or, ces panaches sont responsables de la formation des volcans appelés « points chauds ». Ils ont par exemple donné naissance aux îles d'Hawaï ou à l'île de la Réunion.

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