Le noyau de la Terre

Il y a un siècle, la science savait à peine que la Terre avait même un noyau. Aujourd'hui, nous sommes fascinés par le noyau et ses liens avec le reste de la planète. En effet, nous sommes au début d'un âge d'or des études de base.

Nous savions dans les années 1890, de la façon dont la Terre répond à la gravité du Soleil et de la Lune, que la planète a un noyau dense, probablement du fer. En 1906, Richard Dixon Oldham a découvert que les ondes sismiques traversent le centre de la Terre beaucoup plus lentement qu'elles ne le font à travers le manteau qui l'entoure, car le centre est liquide.

En 1936, Inge Lehmann a rapporté que quelque chose reflète les ondes sismiques de l'intérieur du noyau. Il est devenu clair que le noyau est constitué d'une épaisse coque de fer liquide - le noyau externe - avec un noyau interne plus petit et solide en son centre. Il est solide car à cette profondeur, la haute pression surmonte l'effet de la température élevée.

En 2002, Miaki Ishii et Adam Dziewonski de l'Université de Harvard ont publié des preuves d'un "noyau interne le plus intérieur" d'environ 600 kilomètres de diamètre. En 2008, Xiadong Song et Xinlei Sun ont proposé un noyau interne différent d'environ 1200 km de diamètre. On ne peut pas faire grand-chose de ces idées jusqu'à ce que d'autres confirment le travail.

Tout ce que nous apprenons soulève de nouvelles questions. Le fer liquide doit être la source du champ géomagnétique de la Terre - la géodynamo - mais comment ça marche? Pourquoi la géodynamo bascule, commute nord magnétique et au sud, au fil du temps géologique? Que se passe-t-il au sommet du noyau, là où le métal en fusion rencontre le manteau rocheux? Des réponses ont commencé à émerger au cours des années 1990.

Notre principal outil de recherche de base a été les ondes sismiques, en particulier celles provenant de grands événements comme le Séisme de Sumatra en 2004. Les «modes normaux» qui sonnent, qui font vibrer la planète avec le genre de mouvements que vous voyez dans une grande bulle de savon, sont utiles pour examiner la structure profonde à grande échelle.

Mais un gros problème est caractère unique—Tout élément de preuve sismique donné peut être interprété de plusieurs façons. Une vague qui pénètre dans le noyau traverse également la croûte au moins une fois et le manteau au moins deux fois, de sorte qu'une caractéristique d'un sismogramme peut provenir de plusieurs endroits possibles. De nombreux éléments de données différents doivent être recoupés.

La barrière de la non-unicité s'est quelque peu estompée lorsque nous avons commencé à simuler la Terre profonde dans des ordinateurs avec des chiffres réalistes, et comme nous avons reproduit des températures et des pressions élevées en laboratoire avec le cellule à enclume de diamant. Ces outils (et des études sur la durée de la journée) nous ont permis de parcourir les couches de la Terre jusqu'à ce que nous puissions enfin contempler le noyau.

Étant donné que la Terre entière se compose en moyenne du même mélange de choses que nous voyons ailleurs dans le système solaire, le noyau doit être du fer et du nickel. Mais il est moins dense que le fer pur, donc environ 10% du noyau doit être quelque chose de plus léger.

Les idées sur ce qu'est cet ingrédient léger ont évolué. Le soufre et l'oxygène sont candidats depuis longtemps, et même l'hydrogène a été envisagé. Dernièrement, il y a eu une augmentation de l'intérêt pour le silicium, car les expériences et les simulations à haute pression suggèrent qu'il peut se dissoudre dans le fer fondu mieux que nous ne le pensions. Peut-être que plusieurs d'entre eux sont là-bas. Il faut beaucoup de raisonnement ingénieux et d'hypothèses incertaines pour proposer une recette particulière, mais le sujet n'est pas au-delà de toute conjecture.

Les sismologues continuent de sonder le noyau interne. Le cœur hémisphère oriental semble différer de l'hémisphère occidental dans la façon dont les cristaux de fer sont alignés. Le problème est difficile à attaquer car les ondes sismiques doivent aller à peu près directement d'un tremblement de terre, à travers le centre de la Terre, à un sismographe. Les événements et les machines qui sont bien alignés sont rares. Et les effets sont subtils.

En 1996, Xiadong Song et Paul Richards ont confirmé une prédiction selon laquelle le noyau interne tourne légèrement plus vite que le reste de la Terre. Les forces magnétiques de la géodynamo semblent être responsables.

Plus de temps géologique, le noyau interne se développe à mesure que la Terre entière se refroidit. Au sommet du noyau externe, les cristaux de fer gèlent et pleuvent dans le noyau interne. À la base du noyau externe, le fer gèle sous pression en emportant avec lui une grande partie du nickel. Le fer liquide restant est plus léger et monte. Ces mouvements ascendants et descendants, interagissant avec les forces géomagnétiques, agitent tout le noyau externe à une vitesse d'environ 20 kilomètres par an.

La planète Mercure a également un grand noyau de fer et un champ magnétique, bien que beaucoup plus faible que celle de la Terre. Des recherches récentes suggèrent que le cœur de Mercure est riche en soufre et qu'un processus de congélation similaire le remue, avec une "neige de fer" tombant et un liquide enrichi en soufre montant.

Les études de base ont explosé en 1996 lorsque les modèles informatiques de Gary Glatzmaier et Paul Roberts ont reproduit pour la première fois le comportement de la géodynamo, y compris les inversions spontanées. Hollywood a donné à Glatzmaier un public inattendu quand il a utilisé ses animations dans le film d'action The Core.

Des travaux récents en laboratoire à haute pression par Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao et d'autres nous ont donné des indications sur la frontière cœur-manteau, où le fer liquide interagit avec la roche silicatée. Les expériences montrent que les matériaux du cœur et du manteau subissent de fortes réactions chimiques. C'est la région où beaucoup pensent que les panaches du manteau proviennent, s'élevant pour former des endroits comme la chaîne des îles hawaïennes, Yellowstone, l'Islande et d'autres caractéristiques de surface. Plus nous en apprenons sur le noyau, plus il se rapproche.

PS: Le petit groupe soudé de spécialistes de base appartient tous au groupe SEDI (Étude de l'intérieur profond de la Terre) et lit son Boîte de dialogue Terre profonde bulletin. Et ils utilisent le Bureau spécial du site Web du Core comme référentiel central pour les données géophysiques et bibliographiques.