Noyau terrestre

La graine, vestige d’une naissance

Réminiscence de la formation de notre planète, le noyau terrestre est incontestablement un «Graal» pour les géosciences. La composition de ses parties liquides et solides reste incertaine, tout comme les phénomènes complexes qui s’y déroulent. À plus de 3 000 km de profondeur, son inaccessibilité pousse les chercheurs à être inventifs. Une seule certitude, la graine qui constitue son cœur cristallise, annonçant à très long terme la disparition probable de notre champ magnétique protecteur.

Vue 'écorchée' de l’intérieur de la Terre. Le noyau est la couche la plus profonde de notre planète. Il est principalement constitué de fer à l’état liquide (noyau externe) et il est solide en son centre (graine). Sa formation par différentiation est un des évènements significatifs de l’histoire de la Terre primitive. © Julien Aubert, CNRS-IPGP
Vue «écorchée» de l’intérieur de la Terre.
Le noyau est la couche la plus profonde de notre planète. Il est principalement constitué de fer à l’état liquide (noyau externe) et il est solide en son centre (graine). Sa formation par différentiation est un des évènements significatifs de l’histoire de la Terre primitive. © Julien Aubert, CNRS-IPGP
Résidu d’eau gelée dans le cratère Vastitas Borealis, sur la planète Mars. © ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)
Résidu d’eau gelée dans le cratère Vastitas Borealis, sur la planète Mars. © ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

Déjà en 1864, dans son roman Voyage au centre de la Terre, Jules Verne projetait de l’atteindre via la bouche d’un volcan islandais. Pas si loin de la science-fiction, David Stevenson, géologue au prestigieux California Technology Institute (US), proposait en 2003 de produire une gigantesque explosion pour créer une faille dans laquelle du fer en fusion serait versé, entraînant par gravité un émetteur d’ondes radio pour sonder le coeur de la Terre. Mystérieux et impénétrable, ce noyau continue d’attiser l’intérêt des scientifiques qui rivalisent d’ingéniosité pour démasquer, à 5 000 km de leur objectif, la composition de sa graine.

Sous le manteau de Gaia

Retour en arrière sur la naissance de notre merveilleuse planète bleue… Formée il y a 4,5 milliards d’années avec le reste du système solaire, la Terre résulte d’une agrégation de corps célestes en fusion. Vu la proximité du Soleil, les températures de surface – entre 800°C et 1 300°C – permettaient à cette matière liquide de s’amalgamer, le tout dans un mouvement de rotation à l’origine de la sphéricité de la planète.

Au cours d’une phase de différentiation, les particules lourdes, telles le fer ou le nickel (1), sont descendues plus profondément dans la roche en fusion pour constituer le noyau, entouré d’un manteau composé d’éléments plus légers, les silicates. Les croûtes continentale et océanique se sont formées plus tard, à la suite du refroidissement superficiel du globe. Dans l’état actuel des connaissances, l’épaisseur de ces dernières est comprise entre 35 et 70 km. Sur 2 885 km en deçà se présente le manteau dont les constituants varient avec la profondeur. Il faut donc descendre à près de 3 000 km pour atteindre le noyau liquide et à plus de 5000 km pour parvenir à la graine solide.

Au vu de ces gigantesques distances, comment les géologues ont-ils été capables de distinguer ces différentes couches et faire des hypothèses raisonnables concernant leur composition? «Il existe plusieurs méthodes pour analyser les abysses terrestres», explique Véronique Dehant, ancienne responsable du Special Bureau for the Core et chef de section à l’Observatoire Royal de Belgique. «Par exemple, on peut se référer aux structures d’astéroïdes métalliques qui, lorsque leurs conditions de formation se rapprochent de celles de la Terre, livrent énormément d’informations. Mais parmi toutes les techniques disponibles», ajoute-t-elle, «la sismologie est indiscutablement la plus efficace pour sonder le noyau».

Les tremblements comme mouchards

Les séismes telluriques sont le résultat d’une combinaison de deux phénomènes: la compression et le cisaillement. La vitesse de propagation de ces ondes appelées respectivement P – primaire – et S – secondaire – dépend fortement de la composition des sols traversés. Lors d’un tremblement de terre, des ondes partent de l’épicentre pour se réfléchir sur les interfaces internes de la Terre, ou même se réfracter ou diffracter. «C’est d’abord l’onde P puis l’onde S qui arrive. En fait, la vitesse de propagation est d’autant plus grande que la densité du milieu est faible, mais elle dépend aussi de paramètres rhéologiques propres à ces deux types d’onde. Et donc, avoir accès aux vitesses de propagation, c’est identifier la structure des différentes couches de la matière»(2).

C’est grâce à cette technique sismique que la structure complexe du noyau a été mise en évidence en 1906. Après recoupement de toutes les mesures sismiques en leur possession, les scientifiques s’aperçoivent qu’à chaque séisme correspond une zone «d’ombre » où aucune onde de cisaillement n’émerge du sol. Cette observation laisse entendre que l’état de la matière au centre de la Terre empêche la propagation d’onde de ce type. Dès lors, un noyau liquide est privilégié. Cependant, il n’était pas rare que des ondes P traversent la planète de part en part avec des variations notables de vitesse à proximité du centre du globe. Un seul modèle peut rendre compte de ce double constat: le noyau est constitué d’une couche externe restée liquide sous l’effet de la chaleur – 4 000 °C à 5 000°C – et d’une couche interne qui, sous l’effet d’une pression supérieure à cette profondeur, est devenue solide au cours du temps. C’est la graine.

Une graine qui cristallise

Contrairement à ce que prévoyaient les géologues, le fer et le nickel ne sont pas les seules composantes du noyau, car d’après l’ensemble des données récoltées à ce jour, la densité estimée suggère la présence d’éléments plus légers, tels le soufre et/ou l’oxygène(1). En absence de ces substances de densité inférieure et dans les conditions de température et de pression régnant au coeur de la planète, un noyau unique de Fe/Ni serait entièrement solide. Or, le champ magnétique terrestre naît des mouvements de convection internes de la partie liquide du noyau. Sans cette dernière, ce champ qui nous protège du vent solaire et qui rend notre planète habitable disparaîtrait plus que probablement.

C’est la présence de ces éléments légers qui retarde la solidification du noyau. «Connaître la nature exacte de cet alliage est très important pour comprendre l’évolution de la Terre. Actuellement, la graine cristallise par précipitation du Fe/Ni. Mais ce faisant, la couche liquide s’appauvrit et nous pensons que ce changement continu de composition du noyau liquide provoquera à terme un glissement dans le diagramme de phase du mélange. Au-delà d’un certain rapport entre éléments lourds et légers, il n’y aura plus de précipitation mais bien un passage physique directe de l’état liquide à l’état solide.»

Mais quelle est l’utilité de poursuivre l’étude du noyau d’une planète? C’est qu’il y conditionne sans doute la vie. «L’eau sur Mars a disparu depuis 3,5 milliards d’années. Les sondes ont montré qu’une grande partie de l’atmosphère s’est échappée, alors qu’au début cette planète voisine était probablement habitable. Sans atmosphère, la pression est si basse qu’elle permet à l’eau de passer directement de l’état solide à l’état gazeux, la phase liquide nécessaire à la vie étant inexistante. Hasard ou coïncidence, le champ magnétique de Mars a lui aussi disparu à peu près au même moment. Il y a donc fort à parier que le noyau est bien un acteur essentiel de l’évolution d’une planète. Si tel est effectivement le cas, ne vaut-il pas mieux persévérer dans nos recherches et prédire ainsi l’habitabilité future de notre planète?».

Marie-Françoise Lefèvre

  1. Les poids atomiques de ces éléments sont trop proches pour pouvoir privilégier l’un d’eux.
  2. Toutes les citations sont de Véronique Dehant.

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plus de précisions

Mars, un cobaye pour la Terre

En 2013, l’Agence Spatiale Européenne – ESA – prévoit le lancement de la mission ExoMars dont l’objectif principal est de déterminer si la planète a connu dans son passé une présence de vie biologique. La plate-forme d’atterrissage sera équipée d’une multitude d’instruments d’observation parmi lesquels l’expérience de radioscience LaRa dont les données permettront de trancher la question: le noyau de Mars est-il solide ou liquide?

La trajectoire de la Terre étant connue dans le temps au centimètre près, les scientifiques mesureront grâce à l’instrument LaRa, par effet Doppler, la position relative de Mars par rapport à notre globe pour connaître ainsi la localisation de la plate-forme avec la même précision. Ces données mettront en évidence le phénomène de nutation, les oscillations secondaires de l’axe de rotation d’une planète. Ces oscillations dépendent directement de la rotation différentielle du noyau par rapport au manteau et donc, de manière générale, de l’état physique liquide ou solide du noyau.

De plus, la surface de Mars est formée d’une plaque unique. En l’absence de mouvement tectonique, certaines roches superficielles datent de plus de 4 milliards d’années. L’historique magnétique de la planète est donc préservé et directement accessible. Les scientifiques en charge de la mission espèrent que l’ensemble des données récoltées conduiront à un perfectionnement notable des connaissances sur le passé de Mars et en particulier, de la compréhension de son habitabilité.



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