Le noyau de la Terre est-il déséquilibré ? Des phénomènes étranges à l’intérieur de notre planète

Pour des raisons inconnues, le noyau interne en fer solide de la Terre croît plus rapidement d’un côté que de l’autre, et ce depuis qu’il a commencé à geler à partir du fer en fusion, il y a plus d’un demi-milliard d’années, selon une nouvelle étude réalisée par des sismologues de l’université de Californie à Berkeley.

La croissance plus rapide sous la mer de Banda, en Indonésie, n’a pas rendu le noyau asymétrique. La gravité répartit uniformément la nouvelle croissance – des cristaux de fer qui se forment lorsque le fer fondu refroidit – pour maintenir un noyau interne sphérique dont le rayon augmente en moyenne d’un millimètre par an.

Mais la croissance accrue d’un côté suggère que quelque chose dans le noyau externe ou le manteau de la Terre, sous l’Indonésie, retire la chaleur du noyau interne à un rythme plus rapide que du côté opposé, sous le Brésil. Un refroidissement plus rapide d’un côté accélérerait la cristallisation du fer et la croissance du noyau interne de ce côté.

Cela a des implications pour le champ magnétique de la Terre et son histoire, car la convection dans le noyau externe, entraînée par le dégagement de chaleur du noyau interne, est ce qui alimente aujourd’hui la dynamo qui génère le champ magnétique qui nous protège des particules dangereuses du soleil.

« Nous fournissons des limites assez lâches sur l’âge du noyau interne – entre un demi-milliard et 1,5 milliard d’années – qui peuvent être utiles dans le débat sur la façon dont le champ magnétique a été généré avant l’existence du noyau interne solide », a déclaré Barbara Romanowicz, professeur de l’UC Berkeley à l’école supérieure du département des sciences de la Terre et des planètes et directrice émérite du Berkeley Seismological Laboratory (BSL). « Nous savons que le champ magnétique existait déjà il y a 3 milliards d’années, donc d’autres processus ont dû entraîner la convection dans le noyau externe à cette époque. »

L’âge jeune du noyau interne peut signifier qu’au début de l’histoire de la Terre, la chaleur faisant bouillir le noyau fluide provenait d’éléments légers se séparant du fer, et non de la cristallisation du fer, que nous observons aujourd’hui.

« Le débat sur l’âge du noyau interne dure depuis longtemps », a déclaré Daniel Frost, assistant scientifique du projet au BSL. « La complication est la suivante : si le noyau interne n’a pu exister que pendant 1,5 milliard d’années, d’après ce que nous savons de la façon dont il perd de la chaleur et de sa température, alors d’où vient le champ magnétique plus ancien ? C’est de là qu’est venue cette idée d’éléments légers dissous qui se figent ensuite. »

Geler le fer

La croissance asymétrique du noyau interne explique un mystère vieux de trois décennies – le fait que le fer cristallisé dans le noyau semble être aligné de préférence le long de l’axe de rotation de la terre, plus à l’ouest qu’à l’est, alors qu’on s’attendrait à ce que les cristaux soient orientés de façon aléatoire.

La preuve de cet alignement provient des mesures du temps de parcours des ondes sismiques provenant des tremblements de terre dans le noyau interne. Les ondes sismiques voyagent plus vite dans la direction de l’axe de rotation nord-sud que le long de l’équateur, une asymétrie que les géologues attribuent aux cristaux de fer – qui sont asymétriques – dont les grands axes sont préférentiellement alignés sur l’axe de la Terre.

Si le noyau est constitué de fer cristallin solide, comment les cristaux de fer peuvent-ils s’orienter préférentiellement dans une direction ?

Pour tenter d’expliquer ces observations, Frost et ses collègues Marine Lasbleis de l’université de Nantes en France et Brian Chandler et Romanowicz de l’UC Berkeley ont créé un modèle informatique de la croissance des cristaux dans le noyau interne qui intègre des modèles de croissance géodynamique et la physique minérale du fer à haute pression et haute température.

« Le modèle le plus simple semblait un peu inhabituel – que le noyau interne soit asymétrique », a déclaré Frost. « Le côté ouest semble différent du côté est jusqu’au centre, et pas seulement au sommet du noyau interne, comme certains l’ont suggéré. La seule façon dont nous pouvons expliquer cela est qu’un côté se développe plus rapidement que l’autre. »

Le modèle décrit comment la croissance asymétrique – environ 60 % plus élevée à l’est qu’à l’ouest – peut orienter préférentiellement les cristaux de fer le long de l’axe de rotation, avec un alignement plus important à l’ouest qu’à l’est, et expliquer la différence de vitesse des ondes sismiques à travers le noyau interne.

« Ce que nous proposons dans cet article est un modèle de convection solide asymétrique dans le noyau interne qui concilie les observations sismiques et les conditions limites géodynamiques plausibles », a déclaré Romanowicz.

Frost, Romanowicz et leurs collègues présenteront leurs résultats dans le numéro de cette semaine de la revue Nature Geoscience.

Sonder l’intérieur de la Terre avec des ondes sismiques

L’intérieur de la Terre est composé de couches comme un oignon. Le noyau interne solide de fer et de nickel – qui a aujourd’hui un rayon de 1 200 km, soit environ les trois quarts de la taille de la Lune – est entouré d’un noyau externe fluide de fer et de nickel en fusion d’une épaisseur d’environ 2 400 km. Le noyau externe est entouré d’un manteau de roches chaudes d’une épaisseur de 2 900 kilomètres et recouvert d’une fine croûte rocheuse froide à la surface.

La convection se produit à la fois dans le noyau externe, qui bout lentement lorsque la chaleur du fer cristallisé s’échappe du noyau interne, et dans le manteau, lorsque la roche plus chaude se déplace vers le haut pour transporter cette chaleur du centre de la planète vers la surface. Le mouvement d’ébullition vigoureux dans le noyau externe de fer liquide produit le champ magnétique de la Terre.

Selon le modèle informatique de Frost, qu’il a créé avec l’aide de Lasbleis, lorsque les cristaux de fer croissent, la gravité redistribue l’excès de croissance de l’est vers l’ouest à l’intérieur du noyau interne. Ce mouvement des cristaux dans le solide plutôt mou du noyau interne – qui est proche du point de fusion du fer à ces hautes pressions – aligne le réseau cristallin le long de l’axe de rotation de la Terre dans une plus grande mesure à l’ouest qu’à l’est.

Le modèle prédit correctement les nouvelles observations des chercheurs sur les temps de parcours des ondes sismiques dans le noyau interne : L’anisotropie, ou différence entre les temps de parcours parallèles et perpendiculaires à l’axe de rotation, augmente avec la profondeur, et l’anisotropie la plus forte est décalée vers l’ouest par rapport à l’axe de rotation de la Terre d’environ 400 kilomètres.

Le modèle de croissance du noyau interne fournit également des limites sur la proportion de nickel par rapport au fer au centre de la terre, a déclaré Frost. Son modèle ne reproduit pas fidèlement les observations sismiques à moins que le nickel ne représente entre 4 et 8 % du noyau interne – ce qui est proche de la proportion dans les météorites métalliques qui ont probablement été les noyaux de planètes naines dans notre système solaire. Le modèle indique également aux géologues le degré de viscosité, ou de fluidité, du noyau interne.

« Nous suggérons que la viscosité du noyau interne est relativement grande, un paramètre d’entrée important pour les géodynamiciens qui étudient les processus de dynamo dans le noyau externe », a déclaré Romanowicz.

Texte: Anguilles sous roche

Publié le 09 JUIN 2021