Situé à 2900 kilomètres de profondeur, le noyau terrestre est en grande partie constitué de fer, de nickel et de quelques éléments plus légers. Le noyau externe, liquide, est le siège de mouvements de convection qui sont à l’origine du champ magnétique terrestre. Le noyau interne (la graine), situé à 5150 km de profondeur, est une sphère solide ; la pression et la température y sont extrêmement élevées : 3,3 millions d’atmosphères pour 5500 °C. Une nouvelle étude révèle cependant que la graine n’est pas un solide classique, mais serait composée d’un mélange solide-liquide connu sous le nom « d’état superionique ».
Le noyau interne de la Terre résulte de la cristallisation progressive du fer liquide, au niveau de la discontinuité de Lehmann — la frontière qui sépare le noyau interne du noyau externe. Mais le noyau interne est moins dense que le fer pur, ce qui suggère qu’il se compose également d’éléments légers. Le silicium, le soufre, le carbone, l’oxygène et l’hydrogène ont été proposés comme candidats, et les scientifiques ont donc étudié les propriétés des alliages formés par le fer avec ces différents éléments pour tenter de déterminer la composition exacte du noyau interne.
En effet, les éléments légers ont une influence substantielle sur les vitesses sismiques, les températures de fusion et les conductivités thermiques des alliages de fer. Mais l’état dans lequel se trouvent ces éléments légers est rarement pris en compte dans les recherches. Une équipe dirigée par le professeur Yu He, de l’Institut de géochimie de l’Académie chinoise des sciences (IGCAS), a donc entrepris de se pencher sur la question. C’est ainsi qu’ils ont découvert que le noyau interne se trouve probablement dans un état dit superionique, et non dans un état solide comme on le pensait jusqu’alors.
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Des atomes légers qui voyagent à travers le réseau de fer
L’état superionique se situe quelque part entre l’état liquide et l’état solide. Par exemple, dans des conditions de pression et de température particulièrement élevées, l’eau peut passer à l’état superionique : les liaisons hydrogène se brisent, les molécules d’eau se séparent et les atomes d’oxygène forment un nouveau réseau cristallin, tandis que les atomes d’hydrogène se déplacent librement. Cet état de la matière est relativement courant à l’intérieur des planètes. Les experts estiment que la plupart des géantes de glace, telles que Neptune et Uranus, pourraient être majoritairement constituées de glace d’eau superionique.
À l’aide de simulations informatiques à haute pression et à haute température, imitant les conditions du noyau interne, des chercheurs de l’IGCAS et du Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research, ont découvert que l’hydrogène, l’oxygène et le carbone dans le fer hexagonal dense se transforment en un état superionique et présentent des coefficients de diffusion élevés, identiques à ceux du fer liquide. Dans ces alliages (Fe-H, Fe-O et Fe-C), les atomes de fer forment un sous-réseau ordonné — formant une sorte de charpente solide — tandis que les éléments légers deviennent désordonnés et se diffusent comme un liquide au sein de ce réseau cristallin.
« C’est tout à fait anormal. La solidification du fer à la limite du noyau interne ne modifie pas la mobilité de ces éléments légers, et la convection des éléments légers est continue dans le noyau interne », a déclaré le professeur He dans un communiqué. Un phénomène « anormal » qui explique pourquoi, d’après les observations sismologiques, les ondes de cisaillement (les ondes sismiques secondaires) se propagent relativement lentement au centre de la Terre (par rapport aux vitesses attendues). En effet, les chercheurs ont calculé les vitesses des ondes sismiques dans ces alliages de fer superioniques et ont pu constater un net ralentissement.
Un état qui coïncide avec les mesures sismiques
Le noyau de la Terre est évidemment particulièrement difficile à étudier. Recréer en laboratoire les conditions de pression et de température qui y règnent permet néanmoins de tirer quelques conclusions. De même, beaucoup d’informations peuvent être obtenues par l’analyse des ondes sismiques générées par les tremblements de terre, dont la vitesse de propagation et la direction dépendent du matériau traversé. Selon Hrvoje Tkalcic, géophysicien à l’Université nationale australienne, qui n’a pas participé à cette étude, ces ondes peuvent notamment indiquer la densité et la rigidité de l’alliage de fer du noyau interne.
L’étude de He et ses collègues vient donc corroborer les conclusions de précédentes études basées sur les ondes sismiques, qui suggéraient déjà que le noyau était relativement « mou » et composé de quelques éléments légers. Non seulement les éléments légers de type liquide entraînent une réduction substantielle des vitesses sismiques, mais leurs mouvements de convection ont une influence potentielle sur la structure sismologique et le champ magnétique du noyau interne, écrivent les chercheurs dans Nature.
C’est « un nouveau point de départ pour comprendre le noyau interne », a déclaré He à ABC News. Cette étude pourrait en effet permettre d’élucider certains des mystères qui entourent le noyau interne, comme déterminer précisément le moment où il a commencé à se solidifier. Mais d’autres points restent à éclaircir, en particulier l’anisotropie sismique du noyau — un phénomène qui implique que la vitesse à laquelle une onde sismique se déplace à travers le noyau interne dépend de sa direction.
Il apparaît en effet qu’une onde qui se déplace entre les pôles magnétiques nord et sud est plus rapide qu’une autre qui traverse le globe sur le plan équatorial (alors que la distance est la même). Et les scientifiques ne parviennent pas à comprendre pourquoi. He et son équipe suggèrent que cela pourrait provenir d’une distribution inégale des éléments légers dans le noyau interne ; ils seraient notamment regroupés vers le centre, ralentissant davantage les ondes sismiques qui transitent à ce niveau. D’autres recherches sont néanmoins nécessaires pour confirmer cette hypothèse et expliquer cette répartition spécifique.