Sciences

La radioactivité n'explique que la moitié de la chaleur de la Terre

ActualitéClassé sous :physique , géologie , géoneutrinos

Quelles sont les sources de chaleur qui alimentent le moteur thermique de la Terre ? La moitié au moins provient de la désintégration radioactive d'isotopes, selon les mesures effectuées sur le flux de géoneutrinos à l'aide des détecteurs KamLand et Borexino.

Un dessin des composants du détecteur de KamLand. Le ballon est rempli de 1.000 tonnes de liquide scintillant et est entouré par 1.879 photomultiplicateurs montés sur une sphère en acier. © Lawrence Berkeley National Laboratory

Comme aimaient à le dire Katia et Maurice Krafft, la Terre est une planète vivante. Avec la tectonique des plaques qui l'anime, océans et continents changent sans cesse à l'échelle du million d'années. Les volcans, comme les éruptions de l'Eyjafjöll nous l'ont rappelé récemment, sont les manifestations les plus claires et les plus spectaculaires de la vitalité de notre planète. Mais d'où provient l'énergie thermique qui alimente dérive des continents et éruptions volcaniques ?

Depuis les travaux de Pierre et Marie Curie et surtout Ernest Rutherford, nous savons que la désintégration radioactive de certains éléments dégage de la chaleur. Les travaux des géochimistes nous ont appris aussi que les roches contenaient de tels éléments. En extrapolant à la Terre entière les mesures des abondances de ces éléments, et en se basant sur les modèles minéralogiques de son intérieur comme le Bulk silicate Earth (BSE), il est possible d'en déduire la quantité de chaleur libérée à l'intérieur de notre planète et son flux en surface.

Ce flux mesuré est de 44 térawatts et il est supérieur à celui déduit de la quantité d'éléments radioactifs que l'on estime contenue à l'intérieur de notre planète. Comment expliquer ce désaccord ?

La cosmogonie à la rescousse de la géophysique

Une réponse a été trouvée il y a longtemps et elle fait intervenir des considérations de cosmogonie et de cosmochimie. Il faut pour cela remonter à la formation du Système solaire.

L'étude des météorites et des cratères lunaires nous a permis de construire un scénario de formation des planètes telluriques. Nous savons que la Terre s'est ainsi formée il y a environ 4,5 milliards d'années par accrétion de planétésimaux et de météorites. La composition des météorites étant connue, on peut estimer la quantité d'éléments radioactifs laissée en héritage à la Terre par le processus d'accrétion principal qui a duré moins de 100 millions d'années.

Jointes aux mesures de roches terrestres et aux données de la géophysique, on en déduit que ce sont les noyaux d'uranium 238 et de thorium 232 qui sont les sources principales de chaleur sous forme de désintégrations radioactives dans lesquelles un neutron se désintègre en proton, avec émission d'un électron et d'un antineutrino. Ces éléments ne sont pas sidérophiles, c'est-à-dire qu'ils n'aiment pas s'associer à des atomes de fer dans différents processus géochimiques conduisant à la formation de roches. On ne les trouvera donc pas dans le noyau de la Terre mais bien dans le manteau et la croûte terrestre.

À l'Hadéen, le bombardement de la Terre par des météorites était encore intense. © Fahad Sulehria

Si les météorites et les planétésimaux ont apporté des éléments radioactifs, leur chute dans le champ de gravitation de la prototerre a converti de l'énergie gravitationnelle en énergie thermique lors de leurs impacts à la surface de la  planète. Cette seule source d'énergie est suffisante pour provoquer la formation d'un véritable océan de magma recouvrant la Terre à l'époque infernale de l'Hadéen.

Cette chaleur n'a pas pu partir complètement dans l'espace sous forme de rayonnement lors du refroidissement de la croûte terrestre. Les calculs montrent alors que l'on peut s'attendre à ce que la moitié environ de la chaleur contenue dans la Terre soit en fait de la chaleur résiduelle de ce processus d'accrétion. L'autre moitié serait le résultat de la désintégration de l'uranium 238 et du thorium 232, avec en troisième position une faible fraction provenant du potassium 40.

Mais tout cela n'était que théorique, comment en être sûr ?

Un flux de particules d'antimatière

C'est la physique des particules qui vient de donner la réponse à l'aide de détecteurs initialement construits pour mesurer les oscillations de neutrinos. Il s'agit de KamLand (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) et Borexino.

KamLAND, situé au Japon, reçoit un flux important d'antineutrinos en provenance de plus de cinquante réacteurs nucléaires. Le signal du flux des géoneutrinos est donc noyé dans un bruit de fond et les résultats de premières observations, en 2005, n'étaient pas concluants. L'année dernière, les géophysiciens des neutrinos avaient annoncé avoir fini par détecter ce flux avec Borexino. Aujourd'hui ceux de KamLand reviennent sur le devant de la scène en publiant dans un article de Nature Geoscience, donné en lien ci-dessous, les résultats de leurs dernières mesures et analyses.

Cette fois, le signal est plus clair au-dessus du bruit de fond des centrales nucléaires. Il en résulte qu'environ 20 terawatts viennent des isotopes d'uranium 238, de thorium 232 et de potassium 40 avec 3 térawatts provenant de la désintégration d'autres isotopes. C'est plus que dans les modèles BSE envisagés mais cela reste bien du même ordre de grandeur. Il faut en conclure que les 21 térawatts restants proviennent de la réserve de chaleur primitive laissée par la formation de la Terre.

Cela vous intéressera aussi