Comment nous savons ce qui se trouve sur Terres core
Les humains sont allés partout sur la Terre. Nous avons conquis les terres, volé dans les airs et plongé dans les tranchées les plus profondes de l’océan. Nous sommes même allés sur la Lune. Mais nous ne sommes jamais allés au cœur de la planète.
Nous ne nous en sommes même pas approchés. Le point central de la Terre se trouve à plus de 6 000 km de profondeur, et même la partie la plus externe du noyau se trouve à près de 3 000 km sous nos pieds. Le trou le plus profond que nous ayons créé à la surface est le Kola Superdeep Borehole en Russie, et il ne descend que d’un pitoyable 12,3 km.
Tous les événements familiers de la Terre se produisent également près de la surface. La lave qui jaillit des volcans fond d’abord à quelques centaines de kilomètres de profondeur. Même les diamants, qui ont besoin d’une chaleur et d’une pression extrêmes pour se former, prennent naissance dans des roches situées à moins de 500 km de profondeur.
Ce qui se trouve en dessous de tout cela est entouré de mystère. Cela semble insondable. Et pourtant, nous en savons une quantité surprenante sur le noyau. Nous avons même une idée de la façon dont il s’est formé il y a des milliards d’années – le tout sans un seul échantillon physique. Voici comment le noyau a été révélé.
Une bonne façon de commencer est de penser à la masse de la Terre, explique Simon Redfern de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni.
La majeure partie de la masse de la Terre doit être située vers le centre de la planète
Nous pouvons estimer la masse de la Terre en observant l’effet de la gravité de la planète sur les objets à la surface. Il s’avère que la masse de la Terre est de 5,9 sextillions de tonnes : c’est 59 suivi de 20 zéros.
Il n’y a aucun signe de quelque chose d’aussi massif à la surface.
« La densité du matériau à la surface de la Terre est beaucoup plus faible que la densité moyenne de la Terre entière, ce qui nous indique qu’il y a quelque chose de beaucoup plus dense », dit Redfern. « C’est la première chose. »
Essentiellement, la plupart de la masse de la Terre doit être située vers le centre de la planète. L’étape suivante consiste à se demander quels matériaux lourds composent le noyau.
La réponse ici est qu’il est presque certainement composé principalement de fer. Le noyau serait composé d’environ 80 % de fer, bien que le chiffre exact soit sujet à débat.
Un noyau de fer expliquerait toute cette masse manquante
La principale preuve en est l’énorme quantité de fer dans l’univers qui nous entoure. C’est l’un des dix éléments les plus courants dans notre galaxie, et on le trouve fréquemment dans les météorites.
Etant donné sa quantité, le fer est beaucoup moins fréquent à la surface de la Terre que ce à quoi on pourrait s’attendre. La théorie veut donc que lorsque la Terre s’est formée il y a 4,5 milliards d’années, une grande quantité de fer s’est frayée un chemin jusqu’au noyau.
C’est là que se trouve la plus grande partie de la masse, et c’est là que doit aussi se trouver la plus grande partie du fer. Le fer est un élément relativement dense dans des conditions normales, et sous la pression extrême du noyau terrestre, il serait écrasé à une densité encore plus élevée, donc un noyau de fer expliquerait toute cette masse manquante.
Mais attendez une minute. Comment ce fer est-il arrivé là en premier lieu ?
Le fer doit avoir en quelque sorte gravité – littéralement – vers le centre de la Terre. Mais ce n’est pas immédiatement évident de savoir comment.
La majeure partie du reste de la Terre est constituée de roches appelées silicates, et le fer en fusion a du mal à les traverser. Un peu comme l’eau sur une surface grasse forme des gouttelettes, le fer s’accroche à lui-même dans de petits réservoirs, refusant de se répandre et de s’écouler.
La pression modifie en fait les propriétés de la façon dont le fer interagit avec le silicate
Une solution possible a été découverte en 2013 par Wendy Mao de l’Université Stanford en Californie et ses collègues. Ils se sont demandé ce qui se passait lorsque le fer et le silicate étaient tous deux exposés à une pression extrême, comme cela se produit dans les profondeurs de la terre.
En pinçant les deux substances de manière extrêmement serrée à l’aide de diamants, ils ont pu forcer le fer fondu à travers le silicate.
« La pression modifie en fait les propriétés de la façon dont le fer interagit avec le silicate », explique Mao. « À des pressions plus élevées, un ‘réseau de fusion’ se forme. »
Cela suggère que le fer a été progressivement pressé vers le bas à travers les roches de la Terre pendant des millions d’années, jusqu’à ce qu’il atteigne le noyau.
À ce stade, vous vous demandez peut-être comment nous connaissons la taille du noyau. Qu’est-ce qui fait que les scientifiques pensent qu’il commence à 3000 km de profondeur ? La réponse tient en un mot : la sismologie.
Toutes les stations sismiques parsemées sur la Terre ont enregistré l’arrivée des secousses
Lorsqu’un tremblement de terre se produit, il envoie des ondes de choc à travers la planète. Les sismologues enregistrent ces vibrations. C’est comme si on frappait un côté de la planète avec un gigantesque marteau et qu’on écoutait le bruit de l’autre côté.
« Il y a eu un tremblement de terre au Chili dans les années 1960 qui a généré une énorme quantité de données », explique Redfern. « Toutes les stations sismiques parsemées sur la Terre ont enregistré l’arrivée des secousses de ce tremblement de terre. »
Selon le chemin que prennent ces vibrations, elles traversent différents morceaux de la Terre, et cela affecte la façon dont elles « sonnent » à l’autre bout.
Tôt dans l’histoire de la sismologie, on s’est rendu compte que certaines vibrations disparaissaient. On s’attendait à ce que ces « ondes S » apparaissent d’un côté de la Terre après avoir pris naissance de l’autre, mais il n’y avait aucun signe d’elles.
Il s’est avéré que les roches sont devenues liquides à environ 3000 km de profondeur
La raison en est simple. Les ondes S ne peuvent se réverbérer qu’à travers un matériau solide, et ne peuvent pas passer à travers un liquide.
Elles ont dû se heurter à quelque chose de fondu au centre de la Terre. En cartographiant les trajets des ondes S, il s’est avéré que les roches sont devenues liquides à environ 3000 km de profondeur.
Cela suggérait que tout le noyau était en fusion. Mais la sismologie réservait une autre surprise.
Dans les années 1930, un sismologue danois nommé Inge Lehmann a remarqué qu’un autre type d’ondes, appelées ondes P, traversaient de manière inattendue le noyau et pouvaient être détectées de l’autre côté de la planète.
Les ondes P traversaient vraiment le noyau
Elle a trouvé une explication surprenante : le noyau est divisé en deux couches. Le noyau « interne », qui commence à environ 5 000 km de profondeur, était en fait solide. Seul le noyau « externe » situé au-dessus était en fusion.
L’idée de Lehmann a finalement été confirmée en 1970, lorsque des sismographes plus sensibles ont constaté que les ondes P traversaient réellement le noyau et, dans certains cas, étaient déviées de celui-ci selon des angles. Bien sûr, elles finissaient toujours de l’autre côté de la planète.
Il n’y a pas que les tremblements de terre qui ont envoyé des ondes de choc utiles à travers la Terre. En fait, la sismologie doit une grande partie de son succès au développement des armes nucléaires.
Une détonation nucléaire crée également des ondes dans le sol, de sorte que les nations utilisent la sismologie pour écouter les essais d’armes. Pendant la guerre froide, cela était considéré comme extrêmement important, de sorte que les sismologues comme Lehmann ont reçu beaucoup d’encouragements.
Cela s’avère assez délicat à déterminer
Les pays rivaux ont découvert les capacités nucléaires les uns des autres et, au fil du temps, nous avons appris de plus en plus de choses sur le noyau de la Terre. Aujourd’hui encore, la sismologie est utilisée pour détecter les détonations nucléaires.
Nous pouvons maintenant dresser un tableau approximatif de la structure de la Terre. Il y a un noyau externe fondu, qui commence à peu près à mi-chemin du centre de la planète, et à l’intérieur de celui-ci se trouve le noyau interne solide d’un diamètre de 1 220 km.
Mais il y a beaucoup plus à essayer et à taquiner, en particulier sur le noyau interne. Pour commencer, quelle est sa température ?
Cela s’avère assez délicat à déterminer, et a déconcerté les scientifiques jusqu’à très récemment, explique Lidunka Vočadlo de l’University College London au Royaume-Uni. Nous ne pouvons pas y mettre un thermomètre, la seule solution est donc de créer la bonne pression d’écrasement en laboratoire.
Le noyau de la Terre est resté chaud grâce à la chaleur conservée depuis la formation de la planète
En 2013, une équipe de chercheurs français a produit la meilleure estimation à ce jour. Ils ont soumis du fer pur à des pressions un peu plus de la moitié de celles du noyau, et ont extrapolé à partir de là. Ils ont conclu que le point de fusion du fer pur aux températures du noyau se situe autour de 6 230 °C. La présence d’autres matériaux abaisserait un peu le point de fusion du noyau, à environ 6 000 °C. Mais cela reste aussi chaud que la température du noyau. Mais cela reste aussi chaud que la surface du Soleil.
Un peu comme une savoureuse pomme de terre en veste, le noyau de la Terre est resté chaud grâce à la chaleur retenue lors de la formation de la planète. Il reçoit également de la chaleur par friction lorsque les matériaux plus denses se déplacent, ainsi que par la désintégration des éléments radioactifs. Malgré tout, il se refroidit d’environ 100 °C tous les milliards d’années.
Connaître la température est utile, car cela affecte la vitesse à laquelle les vibrations se déplacent dans le noyau. C’est pratique, car les vibrations ont quelque chose de bizarre.
Les ondes P se déplacent à une vitesse inattendue lorsqu’elles traversent le noyau interne – plus lentement qu’elles ne le feraient s’il était fait de fer pur.
C’est un problème de Cendrillon : aucune chaussure ne convient tout à fait
« Les vitesses d’ondes que les sismologues mesurent lors des tremblements de terre et autres sont nettement inférieures à tout ce que nous mesurons dans une expérience ou calculons sur un ordinateur », explique Vočadlo. « Personne ne sait encore pourquoi. »
Cela suggère qu’il y a un autre matériau dans le mélange.
Il pourrait bien s’agir d’un autre métal, appelé nickel. Mais les scientifiques ont estimé comment les ondes sismiques se propageraient dans un alliage fer-nickel, et cela ne correspond pas tout à fait aux relevés non plus.
Vočadlo et ses collègues se demandent maintenant s’il ne pourrait pas y avoir d’autres éléments en bas aussi, comme le soufre et le silicium. Jusqu’à présent, personne n’a été en mesure de proposer une théorie de la composition du noyau interne qui satisfasse tout le monde. C’est un problème de Cendrillon : aucune chaussure ne convient tout à fait.
Cela pourrait expliquer pourquoi les ondes sismiques passent plus lentement que prévu
Vočadlo essaie de simuler les matériaux du noyau interne sur un ordinateur. Elle espère trouver une combinaison de matériaux, de températures et de pressions qui ralentirait les ondes sismiques dans la bonne mesure.
Selon elle, le secret pourrait résider dans le fait que le noyau interne est presque à son point de fusion. En conséquence, les propriétés précises des matériaux pourraient être différentes de ce qu’elles seraient si elles étaient solides en toute sécurité.
Cela pourrait expliquer pourquoi les ondes sismiques passent plus lentement que prévu.
« Si c’est l’effet réel, nous pourrions réconcilier les résultats de la physique minérale avec les résultats sismologiques », dit Vocadlo. « Les gens n’ont pas encore été capables de le faire. »
Il reste encore beaucoup d’énigmes à résoudre sur le noyau terrestre. Mais sans jamais creuser à ces profondeurs impossibles, les scientifiques ont compris beaucoup de choses sur ce qui se passe à des milliers de kilomètres sous nos pieds.
Le champ magnétique contribue à nous protéger des rayonnements solaires nocifs
Ces processus cachés dans les profondeurs de la Terre sont cruciaux pour notre vie quotidienne, d’une manière dont beaucoup d’entre nous ne se rendent pas compte.
La Terre possède un puissant champ magnétique, et ce grâce à son noyau partiellement fondu. Le mouvement constant du fer en fusion crée un courant électrique à l’intérieur de la planète, et cela génère à son tour un champ magnétique qui s’étend loin dans l’espace.
Le champ magnétique contribue à nous protéger des rayonnements solaires nocifs. Si le noyau de la Terre n’était pas tel qu’il est, il n’y aurait pas de champ magnétique et nous aurions toutes sortes de problèmes à affronter.
Personne d’entre nous ne posera jamais les yeux sur le noyau, mais il est bon de savoir qu’il est là.