Le noyau riche en fer au centre de notre planète a été une partie cruciale de l’évolution de la Terre. Le noyau alimente non seulement le champ magnétique qui protège notre atmosphère et les océans à partir du rayonnement solaire, mais il influence également la tectonique des plaques qui ont continuellement remodelé les continents.
Mais malgré son importance, bon nombre des propriétés les plus fondamentales du noyau sont inconnus. Nous ne savons pas exactement à quel point le noyau est chaud, de quoi il est fait ou quand il a commencé à geler. Heureusement, Une découverte récente Par moi et mes collègues nous rapproche beaucoup plus de répondre à ces trois mystères.
Nous savons que la température du noyau intérieur de la Terre est très d’environ 5 000 Kelvin (K) (4 727 ° C). Il était autrefois liquide, mais s’est refroidi et est devenu solide au fil du temps, se développant vers l’extérieur dans le processus. À mesure qu’il refroidisse, il libère de la chaleur au manteau sus-jacent, entraînant les courants derrière la tectonique des plaques.
Ce même refroidissement génère également le champ magnétique de la Terre. La majeure partie de l’énergie du champ vient aujourd’hui du gel de la partie liquide du noyau et de la croissance du noyau intérieur solide en son centre.
Cependant, comme nous ne pouvons pas accéder au cœur, nous devons estimer ses propriétés pour comprendre comment il se refroidit.
Un élément clé de la compréhension du noyau est de connaître sa température de fusion. Nous savons où la frontière entre le noyau interne solide et le noyau extérieur liquide est de la sismologie (l’étude des tremblements de terre). La température du noyau doit être égale à sa température de fusion à cet emplacement, car c’est là qu’elle est gelée. Donc, si nous savons quelle est la température de fusion exactement, nous pouvons en savoir plus sur la température exacte du noyau – et de quoi elle est faite.
Chimie mystérieuse
Traditionnellement, nous avons deux façons de comprendre de quoi est fait le noyau: les météorites et la sismologie. En examinant la chimie des météorites – qui seraient des morceaux de planètes qui ne se sont jamais formés, ou des morceaux de noyaux de planètes de type terre détruites – nous pouvons avoir une idée de ce dont notre noyau pourrait être fait.
Le problème est que cela ne nous donne qu’une idée approximative. Les météorites nous montrent que le noyau devrait être fait de fer et de nickelet peut-être quelques pour cent de silicium ou de soufre, mais il est difficile d’être plus précis que cela.
La sismologie, en revanche, est beaucoup plus spécifique. Lorsque les ondes sonores des tremblements de terre voyagent à travers la planète, elles accélèrent et ralentissent en fonction des matériaux qu’ils traversent. En comparant le temps de trajet de ces vagues, du tremblement de terre au sismomètre, avec la vitesse à laquelle les ondes se déplacent à travers les minéraux et les métaux dans des expériences, nous pouvons avoir une idée de ce dont l’intérieur de la terre est fait.
Il s’avère que ces temps de trajet exigent que le cœur de la Terre soit sur 10% moins dense que le fer puret que le noyau extérieur liquide est plus dense que le noyau intérieur solide. Seule une chimie connue du noyau peut expliquer ces propriétés.
Mais même parmi une petite sélection de constituants possibles, les températures de fusion potentielles varient par des centaines de degrés – ne nous laissant pas plus sage sur les propriétés précises du noyau.
Une nouvelle contrainte
Dans nos nouvelles recherches, nous avons utilisé la physique des minéraux pour étudier comment le noyau pourrait d’abord commencer à geler, découvrant une nouvelle façon de comprendre la chimie du noyau. Et cette approche semble être encore plus spécifique que la sismologie et les météorites.
La recherche simulant comment les atomes des métaux liquides se réunissent pour former des solides a révélé que certains alliages nécessitent un « surfoueur » plus intense que d’autres. Supercooling, c’est quand un liquide est refroidi sous sa température de fusion. Plus le surfilage est intense, plus les atomes se réuniront souvent pour former des solides, ce qui rend plus rapidement un gel liquide. Une bouteille d’eau dans votre congélateur peut être surfoncé à -5 ° C pendant des heures avant le gel, tandis que la grêle se forme en quelques minutes lorsque les gouttelettes d’eau sont refroidies à -30 ° C dans les nuages.
En explorant toutes les températures de fusion possibles du noyau, nous constatons que le plus surfoncé le noyau aurait pu être à environ 420 ° C en dessous de la température de fusion – pas plus que cela et le noyau intérieur serait plus grand que la sismologie ne le trouve. Mais le fer pur nécessite une ~ 1000 ° C impossible de congéler pour geler. Si elle était tellement refroidie, tout le noyau aurait été gelé, contrairement aux observations des sismologues.
L’ajout de silicium et de soufre, qui suggèrent les météorites et la sismologie pourraient être présents dans le noyau, ne font qu’empirer ce problème – nécessitant encore plus de super-refroidissement.
Notre nouvelle recherche explore l’effet du carbone dans le noyau. Si 2,4% de la masse du noyau était du carbone, environ 420 ° C de surfilage serait nécessaire pour commencer à congeler le noyau intérieur. C’est la première fois que le gel du noyau se révèle possible. Si la teneur en carbone du noyau était de 3,8%, seulement 266 ° C de surfilage sont nécessaires. C’est encore beaucoup, mais bien plus plausible.
Cette nouvelle découverte montre que bien que la sismologie puisse réduire la chimie possible du noyau à plusieurs combinaisons d’éléments différentes, beaucoup d’entre elles ne peuvent pas expliquer la présence du noyau interne solide au centre de la planète.
Le noyau ne peut pas être fait uniquement de fer et de carbone car les propriétés sismiques du noyau nécessitent au moins un élément de plus. Nos recherches suggèrent qu’il est plus susceptible de contenir un peu d’oxygène et peut-être également du silicium.
Cela marque une étape significative vers la compréhension de ce que le noyau est fait, la façon dont il a commencé à geler et comment il a façonné notre planète de l’intérieur.
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