L'énigme de l'âge du noyau solide de la Terre enfin résolue ?

Le champ magnétiquechamp magnétique de la Terre protège notre atmosphère de l'action de l'érosion que peuvent exercer sur elle le vent solairevent solaire et l'activité magnétique et turbulente de notre étoileétoile. Mars n'a pas eu cette chance et c'est pourquoi elle a largement perdu son atmosphère et son eau. De la planétologie comparée dans le Système solaireSystème solaire, on est lentement mais sûrement sur le chemin menant un jour prochain à une planétologie comparée avec les exoplanètesexoplanètes. L'enjeu principal concerne, bien sûr, l'exobiologie car l’habitabilité des exoplanètes, surtout autour des naines rougesnaines rouges jeunes aux colères magnétiques légendaires, dépend de la pérennité de leurs atmosphères grâce à leur propre bouclier magnétique.

La science du géomagnétisme ne nous sert donc pas seulement à comprendre notre Planète bleuePlanète bleue et ce qui l'a rendue habitable, elle peut nous permettre donc tout également de poser des contraintes sur l'habitabilité ailleurs dans la Voie lactéeVoie lactée. Nous avons donc de nombreux intérêts à mieux comprendre l'origine et le fonctionnement de la géodynamo à l'origine de la magnétosphèremagnétosphère terrestre et on ne peut donc que lire avec intérêt l'article publié dans Physical Review Letters par une équipe de géophysiciens menée par Jung-Fu LinLin, professeur à l'université du Texas à la Jackson School of Geosciences d'Austin.

Rappelons que l’on dispose depuis presque un siècle d’une théorie dont le germe avait été planté en 1919 par Joseph Larmor, puis développée dans les décennies suivantes par Walter Elsasser (en photo ci-dessus) en particulier. Cette théorie fait intervenir le fait qu’une partie du noyau de la Terre est un alliage liquide en fusion de fer et de nickel animé de mouvements turbulents et dans le référentiel en rotation qu’est notre Planète. Des courants électriques et des champs magnétiques même faibles se trouvent alors automatiquement amplifiés, se produisant l’un l’autre. © Ginna Drahan, Wikimedia Commons, CC0, Domaine public

Un noyau partiellement liquide avec une graine solide

On sait depuis le tout début du XX^e siècle et les travaux du géologuegéologue et géophysicien britannique, Richard Dixon Oldham, que le noyau de la Terrenoyau de la Terre existe. Les sismologuessismologues avaient en effet mis en évidence que, dans les roches, les ondes de compression issues d'un séisme arrivent les premières dans leurs sismomètres et sont appelées ondes P. Plus lentes, les ondes transversales, dites S, arrivent ensuite. En analysant les données sismologiques collectées sur la Planète, Oldham avait constaté que les ondes S ne sont jamais enregistrées aux antipodes d'un séisme. Comme on peut utiliser les modèles de l'optique géométrique pour décrire la propagation de ces ondes à l'intérieur de la Terre, un séisme peut se voir comme une lampe torche éclairant les profondeurs de notre Planète.

Tout se passe donc comme si les rayons des ondes S ne traversaient pas le centre de la Terre. L'explication de cet étrange phénomène proposée en 1906 par Oldham est simple. Les ondes S ne pouvant traverser un milieu liquideliquide, il fallait en conclure qu'il existait un noyau fluide à l'intérieur de la Terre.

Mais, en 1936, notamment en étudiant les données d'un séisme survenu en Nouvelle-Zélande en 1929, la géophysicienne danoise Inge Lehmann prend acte d'un autre curieux phénomène affectant les rayons associés aux ondes P qui n'arrivent pas, comme prévu, de part et d'autre des antipodes des foyers des séismes. Sa solution du problème, soutenue par des calculs, est brillante. Elle montre qu'une région solidesolide à l'intérieur du noyau réfracte les ondes P d'une façon qui rend bien compte des observations. Quelques années plus tard, tous les ténors de la sismologie de l'époque, en particulier Beno Gutenberg et l'immense Harold Jeffreys - connu comme le Pape de la géophysique de l'époque notamment pour ses traités sur la physiquephysique mathématique (toujours incontournable à lire), la théorie des probabilités et la géophysique -, sont convaincus de la justesse de l'idée de Lehmann.

Sa découverte de l'existence d'une partie solide allait plus tard être d'une grande importance pour comprendre l'origine de l'énergieénergie alimentant la géodynamo générant le champ magnétique de la Terre et ses inversions comme le prouve à nouveau l'article aujourd'hui publié.

Le cœur de la Terre reconstitué avec une cellule à enclumes de diamant

Jung-Fu Lin et ses collègues viennent de confirmer que la graine de la Terre aurait commencé à se former par cristallisation il y a entre 1 et 1,3 milliard d'années, en accord avec la précédente estimation dont parlait Futura dans le précédent article ci-dessous. Ce faisant, la chaleurchaleur libérée - mais pas seulement - aurait contribué à maintenir le fonctionnement de la géodynamo. Deux mécanismes seraient donc à l'œuvre depuis, ce qui fait que l'on parle à leur sujet de convection thermo-compositionnelle. En effet, en débutant sa cristallisation, le noyau se faisant, elle aurait expulsé des éléments plus légers que le ferfer et le nickelnickel, en particulier l'oxygène et le siliciumsilicium, ce qui aurait relancé la convectionconvection selon un mode appelé solutal ou encore compositionnel, faisant intervenir, là aussi, la force d'ArchimèdeArchimède.

Le travail des géophysiciens s'inscrivait dans une problématique qui dure depuis un certain temps. Pour la comprendre, il faut se souvenir que le noyau de la Terre, aussi chaud que la surface du SoleilSoleil, doit refroidir au cours du temps. Il y a cependant des incertitudes concernant ce processus de refroidissement qui doit conduire à un moment à la cristallisation de l'alliagealliage. Ces incertitudes ne permettaient pas de donner une date précise, on savait juste que cela devait s'être produit il y a entre 2.500 et 500 millions d'années.

Une des clés pour trancher le débat consistait à mieux déterminer la conductivité thermiqueconductivité thermique de l'alliage du noyau à des températures de l'ordre de 6.000 degrés et des pressionspressions de l'ordre du million d'atmosphère. Il s'est avéré qu'elle était de 30 à 50 % inférieure aux dernières estimations qui conduisaient à une date de début de cristallisation, il y a environ 600 millions d'années.

Pour aboutir à ce résultat, il a fallu mobiliser une fameuse technique de la physique des hautes pressions pour reconstituer en laboratoire les conditions régnant dans le noyau de la Terre. On utilise ce que l'on appelle des enclumes de diamantdiamant qui permettent de comprimer fortement un échantillon que l'on peut chauffer grâce à des faisceaux laserlaser traversant les diamants (voir à ce sujet la vidéo ci-dessus).

Le nouvel âge du début de la cristallisation de la graine se trouve, comme on l'indiquait précédemment, en bon accord avec celui d'un pic d'intensité du champ magnétique terrestrechamp magnétique terrestre tel qu'enregistré par la disposition des matériaux magnétiques dans les roches qui se sont formées à cette époque, et dont parlait Futura dans l'article ci-dessous. Il est tentant d'y voir une corrélation et pas l'effet du hasard.

La graine de la Terre serait née il y a 1 à 1,5 milliard d'années

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 14/10/2015

Le champ magnétique de la Terre permet à notre planète de garder son atmosphère et protège sa biosphèrebiosphère des rayons cosmiquesrayons cosmiques. Selon une récente découverte, son intensité aurait augmenté rapidement il y a un peu plus d'un milliard d'années. L'événement signalerait le début de la formation de la graine de la Terre, la partie solide du noyau ferreux.

Après sa formation, la Terre s'est différenciée très rapidement - avec un noyau, un manteaumanteau et une croûtecroûte - à partir d'un matériaumatériau très proche de celui trouvé aujourd'hui dans certaines météoritesmétéorites appelées chondrites à enstatite. Ainsi, il n'aurait fallu que quelques dizaines de millions d'années pour qu'apparaisse un noyau de fer et de nickel liquide, prenant en sandwich avec la croûte le manteau de notre planète.

Toutefois, les chercheurs ne savent pas très bien si la géodynamo qui produit le champ magnétique de la Terre a commencé à fonctionner juste après la naissance du noyau. Ils ont tout de même trouvé des traces de l'existence de ce champ conservées dans des minérauxminéraux appartenant à des roches âgées de 3,6 milliards d'années découvertes en Afrique du Sud. Il est même possible que le bouclier magnétique de la Terre soit en place depuis plus de 4 milliards d'années si l'on prend au sérieux quelques indications ténues de sa présence, enregistrées par les fameux zirconszircons australiens de Jack Hills.

Mars, de son côté, possédait bien un tel bouclier très précocement : vers 4,4 milliards d'années probablement - les scientifiques le savent depuis l'analyse de la météorite martienne ALH84001. Il n'y a donc aucune raison apparente pour que ce ne soit pas aussi le cas sur Terre.

Un groupe de chercheurs de l'université de Liverpool, au Royaume-Uni, vient cependant d'annoncer dans une publication du journal Nature la découvert d'une brusque augmentation de l'intensité du champ magnétique de la Terre dans les archives paléomagnétiques datées d'il y a environ 1 à 1,5 milliard d'années. Selon les chercheurs, ce saut dans la valeur du champ magnétique de la magnétosphère s'expliquerait par l'amorce de la formation de la graine de la Terre, la partie solide du noyau découverte par la danois Inge Lehmann. Précédemment, les estimations sur l'âge de l'apparition de cette graine, élément essentiel dans l'histoire de la Terre, variaient entre 0,5 et 2 milliards d'années.

Une dynamo alimentée par la chaleur latente de cristallisation du fer

Pourquoi un tel saut dans l'intensité du champ magnétique ? Pour le comprendre il faut se rappeler que nous disposons de modèles de l'intérieur de la Terre ainsi que de simulations numériquessimulations numériques de ce qui se passe à l'intérieur de notre globe. Ces modèles et simulations sont contraints par les observations des sismologues, les expériences de hautes pressions effectuées avec les cellules à enclumes de diamant et enfin la fameuse expérience VKS qui a permis de tester nos idées sur l'origine des inversions du champ magnétique de la Terre.

Il ne fait donc guère de doute que ce champ magnétique est engendré par des mouvementsmouvements de convection turbulents dans la partie liquide du noyau, le tout en relation avec la rotation de notre planète. Mais, pour maintenir cette convection, il faut de l'énergie. On pense qu'elle provient en grande partie de la chaleur latente de cristallisation libérée dans le noyau par la formation de la graine. Si tel est bien le cas, on comprend bien pourquoi le début de ce phénomène a été concomitantconcomitant avec des mouvements de convection plus vigoureux dans le noyau et donc avec la génération d'un champ magnétique plus intense.

La détermination de l'histoire de l'intensité du champ magnétique de la Terre peut sembler académique mais ce serait oublier son rôle important dans la protection des organismes vivants contre les rayons cosmiques et, surtout, dans le maintien d'une atmosphère. On a toutes les raisons de penser que Mars a perdu la sienne du fait de l'érosion atmosphérique produite par le vent solaire due à la perte de son bouclier magnétique.