Que contient le noyau terrestre ?

Lõi Trái Đất chứa đựng những gì? - 1 — Le noyau terrestre ne se compose pas uniquement de fer ; il semble contenir également du carbone. De nouvelles recherches ont révélé qu’il contient aussi de l’oxygène et du silicium (photo : Getty Images).

Le noyau riche en fer au centre de la Terre joue un rôle crucial dans l'évolution de la planète. Il alimente non seulement le champ magnétique — un bouclier protégeant l'atmosphère et les océans du rayonnement solaire — mais il est aussi le moteur de la tectonique des plaques, remodelant constamment les continents.

Malgré son importance, de nombreuses propriétés fondamentales du noyau restent un mystère : quelle est sa température réelle, de quoi est-il composé et à quel moment commence-t-il à se solidifier ? Une découverte récente a permis aux scientifiques de se rapprocher des réponses à ces trois questions.

On estime que le noyau interne a une température d'environ 5 000 kelvins (4 727 °C). Initialement à l'état liquide, il se refroidit progressivement, se cristallise en un composant solide et s'étend vers l'extérieur. Ce dégagement de chaleur engendre des mouvements des plaques tectoniques.

Le refroidissement est également à l'origine du champ magnétique terrestre. Une grande partie de l'énergie magnétique actuelle est maintenue par la solidification du noyau externe liquide, qui alimente le noyau solide situé en son centre.

Cependant, l'accès direct étant impossible, les scientifiques doivent se fier à des estimations pour comprendre les mécanismes de refroidissement et les propriétés du noyau. Pour ce faire, le facteur le plus important est la détermination de son point de fusion.

Grâce à la sismologie – la science qui étudie les ondes sismiques – nous connaissons précisément la limite entre le noyau solide et le noyau liquide. La température à cette limite correspond également au point de fusion, c'est-à-dire le point de départ de la solidification.

Par conséquent, si le point de fusion pouvait être déterminé avec précision, les humains comprendraient mieux la température réelle du noyau et sa composition chimique interne.

Chimie mystérieuse

Il existe deux approches principales pour comprendre la composition du noyau terrestre : l’étude des météorites et l’analyse des données sismiques.

Les météorites sont considérées comme des vestiges de planètes non encore formées ou des fragments de noyaux de planètes disparues. Leur composition chimique suggère que le noyau terrestre est principalement composé de fer et de nickel, avec peut-être quelques pourcents de silicium ou de soufre. Cependant, ces données sont encore préliminaires et insuffisamment précises pour permettre des conclusions définitives.

Parallèlement, la sismologie offre une vision beaucoup plus concrète. Les ondes sismiques, lors de leur propagation à travers la Terre, voient leur vitesse varier selon la nature des matériaux traversés. En comparant le temps de parcours des ondes jusqu'aux stations de surveillance avec les résultats expérimentaux sur la vitesse de propagation dans les minéraux et les métaux, les scientifiques peuvent élaborer des modèles de la structure interne de la planète.

Les résultats montrent que le noyau terrestre est environ 10 % plus léger que le fer pur. Notamment, le noyau externe, à l'état liquide, est plus dense que le noyau interne, un paradoxe qui ne peut s'expliquer que par la présence d'éléments étrangers.

Cependant, même après avoir réduit le nombre de compositions possibles, le problème demeure. Différents scénarios aboutissent à des températures de fusion qui varient de plusieurs centaines de degrés Celsius, ce qui rend difficile la détermination précise des propriétés du cœur.

Une nouvelle restriction

Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont utilisé la minéralogie pour comprendre comment le noyau terrestre a commencé à se solidifier – une approche plus précise que la météorologie et la sismologie.

Les simulations montrent que lors de la cristallisation des atomes de métal liquide en solides, chaque alliage requiert un degré de surfusion différent, c'est-à-dire un refroidissement en dessous de son point de fusion. Plus ce processus est marqué, plus la solidification du liquide est facile.

Par exemple, l'eau dans un congélateur peut rester extrêmement froide à -5°C pendant des heures avant de geler, tandis qu'une goutte d'eau dans un nuage se transforme en grêle en quelques minutes seulement à -30°C.

Les calculs montrent que la température de surfusion maximale du noyau est d'environ 420 °C inférieure à son point de fusion. Si cette température est dépassée, le noyau interne serait anormalement volumineux par rapport aux données sismiques. Par ailleurs, le fer pur nécessite 1 000 °C pour cristalliser, ce qui est impossible, car le noyau serait alors entièrement solidifié.

L'ajout de silicium ou de soufre n'y change rien ; il pourrait même être nécessaire de refroidir davantage le cœur.

Ce n'est qu'en tenant compte du carbone que le tableau devient cohérent. Si le carbone représente 2,4 % de la masse du noyau, il faut environ 420 °C pour solidifier le noyau interne ; avec 3,8 % de carbone, cette température chute à 266 °C, un chiffre bien plus plausible. Il s'agit de la première preuve suggérant que le carbone joue un rôle crucial dans le processus de cristallisation du noyau.

Cependant, le noyau ne peut être composé uniquement de fer et de carbone, car les données sismiques suggèrent la présence d'au moins un autre élément. Les recherches laissent entrevoir la possibilité que le noyau contienne également de l'oxygène, voire du silicium.

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