Un nouveau modèle pour l'évolution du noyau solide de la Terre
Publié par Michel le 09/08/2008 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © Julien Aubert, IPGP-CNRS
L'explication d'une des énigmes de la structure de la Terre vient d'être mise en évidence par un groupe de chercheurs de l'Institut de physique du globe et de l'Université Johns Hopkins de Baltimore. Les irrégularités de la graine, située au cœur du noyau terrestre, seraient liées à la présence de vents thermiques dans le noyau. Ce scénario remet en cause la rotation permanente de la graine (Dans le cycle de vie des « plantes à graines », la graine est la structure qui contient et protège l'embryon végétal. Elle est souvent contenue dans un...). Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature du 7 août 2008.


Vue écorchée de l'intérieur de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....).
A la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier...) noyau/manteau, les différences latérales de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...)
(tâches rouges et bleues) créent un vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) (ligne grise dans le noyau)
qui font croître la graine plus vite dans l'hémisphère est (tâche rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) sur la graine).
Le "double visage" de la graine est la signature sismique de ce mécanisme

La Terre est formée de plusieurs enveloppes concentriques. À 2900 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) sous nos pieds, le manteau rocheux et solide cède la place au noyau, une boule de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure...) fondu au centre de laquelle la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) est suffisamment forte pour qu'existe une autre boule de fer solide de 1200 kilomètres de rayon: la graine. L'analyse des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) sismiques qui effleurent la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de la graine a permis de mettre en évidence un "double visage": à l'ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).) (hémisphère atlantique), ces ondes se propagent lentement, de manière anisotrope (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) (c'est-à-dire qu'elles ont des propriétés différentes selon leur direction) et sont faiblement atténuées, alors qu'à l'est elles sont rapides, isotropes et plus atténuées. L'explication de l'origine de cette dichotomie apparaît comme un enjeu essentiel pour la compréhension fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la Terre comme un système d'enveloppes dynamiquement couplées les unes aux autres.

L'hétérogénéité de la graine n'est pas sans rappeler celle de la frontière noyau-manteau, sur laquelle arrivent des plaques tectoniques issues de la subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de densité plus faible, en général une plaque océanique sous une...), créant ainsi des régions froides sous l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan Atlantique....) et sous l'Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale...), avec un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de rémanence de l'ordre de plusieurs centaines de millions d'années. Ces régions refroidissent localement le noyau. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), le noyau est soumis à l'influence prépondérante de la force de Coriolis (Dans un système de référence (référentiel) en rotation uniforme, les corps en mouvement, tels que vus par un observateur partageant le même référentiel,...) (1), et ces différences latérales de température peuvent donner lieu à des vents thermiques identiques à ceux, bien connus des véliplanchistes, qui existent entre les côtes et les étendues d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Ces vents thermiques seraient liés à l'existence du "double visage" de la graine. C'est ce que vient de mettre en évidence un groupe de géophysiciens du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) du Globe de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...) et de la Johns Hopkins University de Baltimore (Etats-Unis). Pour cela ils ont réalisé une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du noyau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), sous l'influence d'un manteau thermiquement hétérogène. La dynamique du noyau est un sujet d'étude important, car c'est aussi à cet endroit qu'est créé le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire sous...). La Terre se refroidit en permanence, et à l'intérieur du noyau, cela se traduit par des mouvements de convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se...) qui entretiennent une dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe Gramme. La dynamo repose sur un...), similaire dans son principe à celle du vélo, mais totalement fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...).

C'est justement dans le rapprochement des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une gigantesque dynamo.) et de celles de la structure de la graine que se trouve la réponse à l'énigme du "double visage". Par l'analyse des laves volcaniques et des sédiments qui ont piégé l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...), il est possible de construire une carte du champ paléomagnétique moyen au cours des 5 derniers millions d'années. De plus, l'étude des variations du champ magnétique enregistré dans les observatoires au cours des 150 dernières années permet de reconstruire, à la surface du noyau, les écoulements qui leur ont donné naissance. C'est ainsi que ces scientifiques ont vu, à la surface du noyau, un grand cyclone (Un cyclone (du grec kyklos, cercle) est un terme météorologique qui désigne une grande zone où l'air atmosphérique est en rotation autour d'un centre de basse pression local. On parle...) de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) à l'aplomb de l'Asie, dans l'hémisphère Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). Le modèle informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport...) utilisé a montré que ce cyclone est justement dû au vent thermique, et qu'il concentre le champ magnétique en son centre, produisant une signature similaire à celle observée sur la carte du champ paléomagnétique. De plus, il constitue la partie visible d'une grande colonne qui plonge profondément dans le noyau, amenant ainsi du fluide froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et chimiquement pauvre jusqu'à l'hémisphère Est de la graine. Du fait du refroidissement de la Terre, la graine croît de manière permanente à un rythme de quelques dixièmes de millimètres par an. D'après cette simulation, le vent thermique provoque une croissance plus rapide dans l'hémisphère Est que dans l'hémisphère Ouest. Or des expériences de laboratoire ont montré que lorsqu'il gèle, le fer acquiert une texture qui dépend de la vitesse (On distingue :) à laquelle il se solidifie. Ce modèle prédit des textures capables d'expliquer, au moins qualitativement, les observations sismiques à la surface de la graine. C'est donc probablement ainsi qu'est apparu le double visage de la graine.

Ce scénario apporte une contrainte forte à un autre débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions divergentes pour le sujet considéré. ...) en vigueur dans la communauté géophysique, concernant la possible rotation de la graine par rapport au manteau. Au cours des 30 dernières années, les sismologues ont observé une modification des propriétés de certains trajets d'ondes sismiques traversant la graine. Ces modifications ont été attribuées à une rotation longitudinale de cette dernière, à des vitesses de quelques dixièmes de degrés par an. Cependant, si le manteau "imprime" sa signature sur la graine au même endroit pendant plusieurs centaines de millions d'années, alors il est nécessaire que la rotation de la graine soit en fait une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.), et ne cause aucun déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) moyen au long terme. On peut supposer qu'une telle ondulation résulte d'un couplage mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) de la graine avec les ondes de torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.), une catégorie particulière de mouvements rapides dans le noyau liquide dont la période est de quelques dizaines d'années.


Note:

(1) La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) de Coriolis est due à la rotation de la Terre. C'est une force que sentent tous les objets qui se déplacent dans un référentiel en rotation. Elle est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à...) au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) du déplacement.


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