D'où provient la chaleur interne de la Terre ?
Publié par Michel le 04/04/2006 à 00:00
Source: Research/Penn State, By Joe Anuta
Illustration: Lawrence Livermore National Laboratory
La croûte terrestre sur laquelle nous évoluons est un endroit relativement frais, pourtant sous nos pieds règne une chaleur infernale. Il émane de l'intérieur de la Terre suffisamment de chaleur pour servir chaque heure 200 tasses de café brûlant à chacun des six milliards d'habitants 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...). Au centre même, les scientifiques pensent que la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) excède 6000°C ; il y fait plus chaud qu'à 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 souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...).


Les trois couches internes
entourées par la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques...)

Une section transversale 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. C'est la...) montre trois couches concentriques entourées par une croûte mince et dure qui s'étend sur 10 à 100 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...) d'épaisseur. Sous cette croûte, un manteau en forme de tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :) de 2900 kilomètres d'épaisseur se compose de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de minéraux, comportant parfois des...) fondue visqueuse qui s'écoule très lentement à des échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) géologiques. Selon Chris Marone, professeur de Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) à Penn State, "le manteau se déplace à peu près aussi rapidement que poussent nos ongles".

Au centre de la Terre se trouve un noyau scindé en deux parties. "Sa partie interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) est approximativement de la taille de notre Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne...)", indique Marone, "et sa une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) est à peu près celle de l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...)". Le noyau extérieur qui l'entoure est un océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...) de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de 2300 kilomètres d'épaisseur. La rotation de la Terre entraîne cet océan et le fait tourbillonner, le métal en mouvement produit 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...) de la planète.

Quatre sources de chaleur

La majeure partie de la chaleur de la Terre est emmagasinée dans le manteau, explique Marone, et il existe quatre sources qui l'entretiennent. D'abord, il y a la chaleur résultant de l'époque où les forces de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) ont transformé en planète les nuages de particules et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni...) chauds de l'espace de la "proto-Terre". Pendant que la bille fondue se refroidissait, il y a environ 4 milliards d'années, l'extérieur a durci et a formé une croûte. Le manteau continue toujours de se refroidir depuis lors. Selon Marone, cette chaleur originelle ne constitue pas la majeure partie de la chaleur de la Terre. Elle n'y contribue qu'à hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 5 à 10 pour cent du total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une...), valeur à peu près identique à celle de la chaleur gravitationnelle.

Pour expliquer cette chaleur gravitationnelle, Marone évoque encore l'image de la Terre chaude et fraîchement formée, qui n'était pas d'une densité uniforme. Par un processus de tri gravitationnel appelé différentiation, les morceaux les plus denses et les plus lourds ont été entraînés vers le centre, et les zones les moins denses se sont déplacées vers l'extérieur. Les frottements produits par ce processus ont produit une chaleur considérable qui, comme la chaleur originelle, ne s'est toujours pas entièrement dissipée.

Il existe ensuite la chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état; cette...). Ce type de chaleur résulte de l'expansion du noyau alors que la Terre se refroidit de l'intérieur vers l'extérieur. De la même façon que l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qui gèle se transforme en glace (La glace est de l'eau à l'état solide.), le métal liquide se transforme en solide en augmentant de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.). Le noyau interne grandit d'environ un centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) tous les mille ans. La chaleur provoquée par cette expansion s'infiltre dans le manteau.

Enfin et principalement, explique Marone, la chaleur interne de la Terre provient presque à 90% de la désintégration d'isotopes radioactifs comme le Potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de...) 40, l'Uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que...) 238 et 235, et le thorium 232 contenus dans le manteau. Ces isotopes rayonnent de la chaleur lorsqu'ils rejettent l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) excédentaire et s'acheminent vers la stabilité. "La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de chaleur provoquée par ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) est presque égale au total de toute la chaleur mesurée qui émane de la Terre".

La radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour...) est présente non seulement dans le manteau, mais aussi dans les roches de la croûte terrestre. Par exemple, un bloc de 1 kilo de granit à la surface dégage une quantité minuscule mais mesurable de chaleur (à peu près autant qu'une ampoule de 0,000.000.001 watt) par désintégration radioactive. Cela peut sembler peu, mais en considérant le gigantisme (Le gigantisme (du grec gigas, gigantos « géant ») est un état caractérisé par une croissance excessive. Le...) du manteau, c'est énorme.

Dans quelques milliards d'années, prévoit Marone, le noyau et le manteau pourraient se refroidir et se solidifier suffisamment et la Terre deviendra alors une planète froide et morte comme la Lune. Cependant, bien longtemps avant que cela ne se produise, le Soleil se sera probablement transformé en une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et sera devenu assez volumineux pour engloutir notre planète. À ce moment, la chaleur du manteau de la Terre importera peu.

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