À l’intérieur de chaque objet spatial qui a réussi à acquérir une forme sphérique, il y a un noyau — et parfois pas un simple, mais plusieurs couches. À de grandes profondeurs, même les substances les plus familières, comme le fer, acquièrent des propriétés inhabituelles : elles se transforment en cristaux géants, deviennent liquides ou commencent à produire du courant électrique. Le noyau externe et interne de la Terre illustre parfaitement toutes ces anomalies — et il a également été le premier défenseur de la vie sur la planète.
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Le chemin vers le noyau
Il n’est pas facile d’étudier le noyau : 2 900 kilomètres séparent la surface de la Terre de son bord supérieur. Il n’est pas non plus facile de forer à de telles profondeurs : plus on descend sous terre, plus la température augmente. Dans le puits de Kola, qui reste le plus profond à ce jour, la température a atteint 220°C à 12 kilomètres de profondeur ! Même à de telles températures, il est difficile de travailler, non seulement pour l’électronique, mais aussi pour l’équipement lui-même — après tout, il faut le descendre dans le puits et le ressortir.
Le puits ultra-profond de Kola
Et même après avoir surmonté la lithosphère, il est nécessaire de traverser le manteau plastique chaud. Dans les années 2000, un projet a été élaboré pour permettre à une sonde de la taille d’un petit melon d’atteindre le noyau. Certes, il présente quelques faiblesses : pour atteindre le noyau, il faut faire exploser plusieurs bombes nucléaires, y déverser une mer de métal chauffé au rouge et inventer un matériau capable de résister à une température de 2 à 3 000 degrés centigrades ! Sur le papier, tout semblait pourtant parfait : avec un flot de fer rouge, la sonde pouvait atteindre le noyau de la Terre en une semaine seulement.
Cependant, les scientifiques disposent encore d’une méthode qui leur permet de calculer assez précisément la densité et le volume du noyau de la Terre : la sismographie. Les vibrations provenant des couches superficielles de la planète — vibrations des tremblements de terre ou impulsions des explosions nucléaires — se propagent non seulement à la surface de la Terre, mais s’enfoncent également à l’intérieur. Elles y sont réfractées, ce qui augmente leur vitesse de passage — comme les ondes lumineuses sont réfractées lorsqu’elles traversent du verre ou de l’eau. C’est précisément grâce à la façon dont l’onde sismique change lorsqu’elle traverse la planète que les scientifiques ont pu obtenir les paramètres physiques exacts du noyau.
Schéma du mouvement des ondes sismiques dans le corps de la Terre
Divers signes indirects aident également les géologues. Par exemple, l’observation du champ magnétique terrestre permet de suivre la dynamique de rotation du noyau. Des indices précieux sont parfois fournis même par un objet qui n’est pas du tout destiné à l’étude des profondeurs. Il est arrivé que des dysfonctionnements du télescope orbital Hubble permettent de détecter un changement de direction des flux dans le noyau externe liquide de la Terre, entraînant un déplacement des pôles magnétiques.
Structure et caractéristiques du noyau
Le chemin de la connaissance est long et épineux, mais ses fruits sont doux. À ce jour, les caractéristiques physiques suivantes du noyau de la Terre sont connues de manière fiable :
- La température du noyau terrestre au point central peut atteindre jusqu’à 6000 degrés Celsius, soit autant qu’à la surface du Soleil ! Mais contrairement à ce dernier, l’énergie des profondeurs n’est pas alimentée par des réactions nucléaires, mais par la gravité. Plus précisément, par sa compression : la pression dans le noyau dépasse de 3,5 millions de fois la pression atmosphérique, atteignant 360 gigapascals. Bien que les processus de désintégration atomique aient lieu dans les profondeurs de la Terre, leur contribution n’est pas si importante. Sans l’énorme compression, ils seraient lents et peu productifs.
Sphères de base classiques de la Terre
- Le noyau de la Terre mesure 7 000 kilomètres de diamètre, soit plus que la Lune et Mars ! Il ne prend pas beaucoup de place à l’intérieur de notre planète — environ 15 % de son volume — mais sa masse de 1,932 × 10 24 kilogrammes représente 30 % de la masse totale de la Terre.
- Il s’avère que les différentes couches du noyau tournent dans des directions différentes. Aujourd’hui, on pense que le noyau externe liquide tourne autour de son axe d’est en ouest, tandis que le noyau interne tourne d’ouest en est, et plus vite que la Terre. Toutefois, la différence n’est pas très importante : en un an, il ne dépasse la planète que d’un quart de degré
En outre, les dernières recherches suggèrent qu’à l’intérieur du noyau interne de la Terre se trouve un autre noyau, le noyau «très» interne, qui tourne sur un axe différent. Examinons-le de plus près, ainsi que les autres composants du noyau terrestre.
Le noyau externe
La toute première couche du noyau, en contact direct avec le manteau, est le noyau externe. Sa limite supérieure se situe à une profondeur de 2,3 milliers de kilomètres sous le niveau de la mer, et sa limite inférieure à une profondeur de 2 900 kilomètres. En termes de composition, il ne diffère pas des enveloppes sous-jacentes : la pression gravitationnelle est tout simplement insuffisante pour solidifier un métal chauffé au rouge. Mais son état liquide est le principal atout de la Terre par rapport aux autres planètes internes du système solaire.
Comment fonctionne la géodynamo
En effet, c’est la partie liquide du noyau qui est à l’origine de l’émergence du champ magnétique terrestre. Comme le lecteur le sait probablement, la magnétosphère sert de bouclier à la planète contre les particules chargées provenant de l’espace et du vent solaire. Ces particules sont encore plus dangereuses que les radiations : elles peuvent mettre hors d’état de nuire non seulement les organismes vivants, mais aussi les appareils électroniques. Les biologistes pensent qu’un champ magnétique actif a été la clé de la survie des créatures unicellulaires primitives.
Comment un champ magnétique est-il généré ? Il est généré par la rotation du fer et du nickel liquides dans le noyau. Les propriétés magnétiques des métaux n’ont rien à voir là-dedans — il s’agit d’un effet purement dynamique. Le noyau externe réchauffe également le manteau, à tel point qu’à certains endroits, des coulées de magma atteignent même la surface, provoquant des éruptions volcaniques.
Le noyau interne
À l’intérieur de l’enveloppe liquide se trouve le noyau interne. Il s’agit du noyau solide de la Terre, qui mesure 1 220 kilomètres de diamètre, soit la même taille que Charon, le satellite compagnon de Pluton. Cette partie du noyau est très dense — la concentration moyenne de matière atteint 12,8-13g/cm 3 , soit deux fois la densité du fer, et chaude — la chaleur atteint les fameux 5-6 mille degrés centigrades.
La pression élevée au centre de la Terre entraîne la solidification du métal à des températures supérieures à son point d’ébullition. Cela forme des cristaux inhabituels qui sont stables même dans des conditions normales. On pense que le noyau interne est une forêt de plusieurs kilomètres de cristaux de fer et de nickel orientés du sud au nord. Afin de vérifier cette théorie, des scientifiques japonais ont passé dix ans à créer une enclume de diamant spéciale — ce n’est que dans cette enclume que l’on peut atteindre une pression et une température aussi élevées que celles qui règnent au centre de notre planète.
Noyau interne «intérieur», ou hypothétique poupée matryoshka.
Dès les premières études du noyau à l’aide d’ondes sismiques, les géologues ont remarqué une déviation inhabituelle des vibrations à l’intérieur du noyau, d’est en ouest. Comme la Terre est plus large à l’équateur qu’aux pôles en raison de sa rotation, ce phénomène n’a pas été remarqué dans un premier temps. Mais une étude ultérieure a révélé que le centre du noyau pourrait n’être qu’une autre coquille.
Qu’est-ce que le noyau «intérieur» ? Il est très probablement constitué des mêmes cristaux métalliques, mais orientés vers l’ouest et non vers le nord. Les causes de cette stratification ne sont pas encore claires. Toutefois, l’orientation des cristaux indique que des interactions gravitationnelles avec le Soleil ou la Lune sont en jeu.
Noyau interne «intérieur» dans la structure de la Terre
Mécanisme de formation du noyau
Toutes les planètes du système solaire ont un noyau, qu’il s’agisse de planètes à part entière ou de planètes naines, de la majestueuse géante gazeuse Jupiter à la lointaine et froide Sedna. Les paramètres du noyau varient d’un objet à l’autre — par exemple, le noyau de Mercure occupe 60 % de la masse de la planète et 80 % de son volume, tandis que le rayon du noyau de la Lune n’est que de 350 kilomètres sur les 1 735 kilomètres du rayon total du satellite.
Néanmoins, la création du noyau de tout corps cosmique, même d’une étoile, est due à un phénomène gravitationnel intéressant : la différenciation de l’intérieur. Lorsque les planètes commencent à peine à se former à partir de nuages de gaz autour d’une jeune étoile, leur matière se rassemble autour de noyaux primaires : de grosses roches, des amas de glace ou de poussière. Lorsque la jeune planète acquiert une masse suffisante, la gravité entre en jeu, attirant les éléments massifs comme le fer vers le centre de l’objet, poussant ainsi les substances plus légères comme le silicium ou l’oxygène vers la surface.
La Terre pendant l’accrétion active, vue par l’artiste
Au cours de ces mouvements, d’énormes quantités d’énergie sont libérées, provoquant la fusion de la planète et la gravité lui donnant une forme sphérique caractéristique. Cela accélère le processus de déplacement de la matière lourde. Les astéroïdes qui n’ont pas une masse suffisante pour fondre restent des amas de poussières et de roches empilées les unes sur les autres.
- Il est intéressant de noter que, bien que l’uranium soit l’un des éléments les plus lourds de la nature, il a ignoré la différenciation de l’intérieur et est resté presque entièrement à la surface de la planète, dans la croûte terrestre. La raison en est que l’uranium n’existe qu’en association avec d’autres éléments plus légers. Ceux-ci lui ont servi de «ligne de vie», en maintenant le métal radioactif au sommet.
Et tous les éléments lourds qui se trouvaient en profondeur — principalement le fer et le nickel — formaient le centre de la planète. Le noyau de la Terre est passé de la poussière en orbite autour du Soleil nouveau-né à une boule de métal multicouche — et aujourd’hui, il réchauffe et protège notre planète de l’intérieur.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023