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26 février 2010 5 26 /02 /février /2010 11:50

Contexte

 

Si aller voir ce qui se passe au centre de la Terre est l’un des voyages qui, au même titre que marcher sur la Lune, a toujours stimulé l’imagination des hommes, l’entreprise demeure toujours une impossibilité physique. Du coup, les scientifiques ont tourné la difficulté : ils cherchent à « faire venir » le centre de la Terre dans leurs laboratoires, en recréant les conditions de température et de pression qui y règnent. Une invention rendit la chose possible : la cellule à enclumes de diamant, mise au point en 1959 par quatre Américains du National Bureau of Standards, Charles Weir, Ellis Lippincott, Alvin Valkenburg et Elmer Bunting.

 

Géomagnétisme : 2000 tours/minute en ballon

 

 

 

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L’origine du champ magnétique terrestre fait toujours débat. Considérations théoriques et simulations numériques suggèrent qu’il est produit par les mouvements de convection qui brassent sans cesse le noyau de fer liquide. On admet que l’écoulement de ce fluide métallique, conducteur d’électricité, à travers un champ magnétique, induit des courants électriques qui, à leur tour, créent un champ magnétique. Bref, le noyau fonctionnerait comme une énorme dynamo qui s’auto-entretiendrait. Mais comment marche-t-elle ? Avec quelle énergie ? Et pourquoi le champ magnétique fluctue-t-il et s’inverse-t-il dans le temps ?

 

Pour répondre à ces questions, les chercheurs du laboratoire de géophysique interne et de tectonophysique de Grenoble ont conçu, sous la houlette de Philippe Cardin et Henri-Claude Nataf, une expérience originale, surnommée le « derviche tourneur sodium ». Inauguré en octobre 2003, le dispositif expérimental devrait faire venir le cœur de la Terre jusqu’aux chercheurs…

 

Une double sphère


La pièce maîtresse est une sphère en inox de 40 cm de diamètre remplie de sodium liquide. Elle dissimule une boule de cuivre de 13 cm de diamètre portant un aimant permanent. La première représente le noyau externe liquide de la Terre, la seconde, sa graine solide. Un premier moteur fait tourner la sphère jusqu’à 2000 tours/minute. Un second entraîne la graine centrale à vitesse variable. Emboîtées, elles ne tournent cependant pas tout à fait en même temps. Résultat : le mouvement différentiel va entraîner le sodium, l’étirer et le mettre en mouvement. Les simulations numériques réalisées en amont donnent une idée de la géométrie de ces mouvements : des tourbillons (cyclones et anticyclones) apparaissent, dont les axes sont parallèles à l’axe de rotation de la sphère. Comme pour la Terre, le mouvement du métal liquide entre les deux sphères va créer le champ magnétique. Il sera alors possible de mesurer de façon continue la vitesse d’écoulement du sodium liquide et l’intensité du champ magnétique induit. Autres paramètres étudiés : le champ de pression (dont la mesure permet aussi de remonter à la vitesse de l’écoulement) et les potentiels électriques en surface qui favorisent la mesure des courants électriques générés par l’écoulement du sodium engendrant le champ magnétique.

 

A cette fin, une batterie d’instruments de mesure a été placée sous la sphère, contrôlée en temps réel par deux ordinateurs. L’un, voué au contrôle et aux commandes, affiche les données en temps réel. L’autre reçoit les mesures scientifiques. Reste que si l’un des intérêts de cette expérience est d’utiliser du sodium liquide, métal dont la viscosité est comparable à celle du noyau terrestre, ce choix n’est pas sans risques : le sodium liquide s’enflamme à l’air. Il réagit aussi très violemment avec l’eau, formant de l’hydrogène qui, en se combinant avec l’oxygène de l’atmosphère, explose. Aussi la salle de 24 m² qui abrite l’expérience est-elle revêtue d’acier en inox et placée sous surveillance 24h sur 24, tandis que son sol est surélevé de 1,20 m pour éviter l’entrée d’eau. Des aménagements qui expliquent le coût de l’opération : 350 000 euros, financés par le ministère de la Recherche et l’Institut national des sciences de l’Univers du CNRS. Il ne reste plus qu’à attendre que l’expérience donne des nouvelles du centre de la Terre.

 

Géocristallographie : de la Terre au noyau

 

La graine, cette boule solide au centre de la Terre, présente une curieuse propriété, connue depuis une dizaine d’années : les ondes sismiques y voyagent légèrement plus vite le long d’un axe nord-sud que dans le plan équatorial. Selon les géologues, elle serait donc « anisotrope », une particularité qui pourrait s’expliquer par une orientation préférentielle des cristaux de fer qui constitueraient la graine. Mais comment tester cette hypothèse ? A défaut d’échantillonner directement les matériaux qui constituent les couches les plus profondes de la Terre, il est possible de recréer en laboratoire les conditions extrêmes qui règnent au cœur de notre planète et d’y soumettre des cristaux de fer pour voir si leurs propriétés sont conformes à celles du « corps » de la graine. C’est l’un de ces voyages virtuels que des chercheurs de l’European Synchroton Radiation Facility de Grenoble et du laboratoire de minéralogie-cristallographie de l’université de Paris VI, ont effectué, voici quelques mois, non pas dans l’ambiance feutrée d’une salle de laboratoire mais dans celle, plus électrique et internationale, du synchroton européen, le fameux accélérateur de particules situé à Grenoble ! Pour la première fois, ils ont pu mesurer la vitesse de propagation des ondes acoustiques (comparables aux ondes sismiques qui circulent à l’intérieur de la Terre) dans des cristaux de fer soumis à des pressions de plus de 110 gigapascals, soit plus de 1 million de fois la pression atmosphérique !

 

Un échange d’énergie

 

La tâche était ardue : les chercheurs ont dû travailler sur des échantillons de fer de quelques dizaines de micromètres. Ils ont donc comprimé des agrégats de cristaux de fer entre deux pointes de diamants, puis les ont soumis à un rayonnement X. Le cristal retenu est de type hexagonal compact, forme sous laquelle le fer pourrait être présent dans la graine. Concrètement, la technique repose sur le principe d’un échange d’énergie entre les photons X et des phonons, c’est-à-dire des ondes acoustiques engendrées par la vibration des atomes de fer à l’intérieur du réseau cristallin. De cet échange, on peut déduire la vitesse de propagation des ondes acoustiques et la comparer avec celle des ondes sismiques. Mais comment vérifier que la vitesse des premières varie suivant leur trajet,  à l’instar de ce qui se passe pour les secondes ? Simple : à l’intérieur de la « cellule à enclumes de diamants », les cristaux de fer s’orientent naturellement sous l’effet de la pression, suivant l’axe de compression de la cellule. En inclinant plus ou moins celle-ci, les chercheurs ont pu mesurer la vitesse de propagation du son dans différentes directions et mettre là aussi en évidence une antisotropie. Et en effet, le son voyage légèrement plus vite suivant l’axe d’allongement des cristaux de fer que dans leur plan équatorial. Conclusion : l’antisotropie s’expliquerait bien par une orientation préférentielle des cristaux de fer à l’intérieur de la graine. Reste que ces expériences de diffusion inélastiques sont longues : il faut 24 heures pour analyser un point à une pression et une orientation de cristaux données ! Ce qui explique que l’expérience a dû se dérouler en deux temps sur 2003 et 2004.

 

Géoneutrinos : 6350 km sous les mers

 

Il y a un siècle, la découverte des rayons X permettait de scruter le corps humain. Bientôt, une particule élémentaire, l’antineutrino, pourrait jouer le même rôle en autorisant les géologues à visualiser la radioactivité interne de la Terre. Une première ! Pour l’instant, le voyage est théorique… L’équipe de l’italien Gianni Florentini, de l’université de Ferrara, a imaginé recourir à un détecteur d’antineutrinos, particules émises par notre planète, pour percer un mystère : l’origine de la chaleur interne du globe. La Terre irradie 40 térawatts (1012 W) de chaleur vers l’espace, soit autant que 100 000 centrales thermiques ! Si cette énergie provient surtout du Soleil, le sous-sol n’est pas en reste : chaque mètre carré émet 80 milliwatts venant des entrailles du globe.

 

 

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Savoir décrypter

 

Cette énergie a plusieurs sources possibles. « Lors de la formation de la Terre, l’énergie cinétique des roches en accrétion qui s’entrechoquaient s’est transformée en énergie thermique, explique Alessandro Forte, géologue à l’université du Québec, à Montréal. Avec l’effondrement gravitationnel de la matière vers le centre, la plus grande partie de cette chaleur a été piégée dans le noyau ». Autre source potentielle : les éléments radioactifs capturés lors de la formation de la Terre et qui se désintègrent lentement (thorium, potassium, uranium). Reste qu’on ignore quelle est la part de la radioactivité dans la chaleur produite par la Terre, il n’empêche : « Les éléments radioactifs emprisonnés sous terre émettent des neutrinos et des antineutrinos lorsqu’ils se désintègrent, explique Gianni Florentini. Ils parviennent intactes à la surface, où nous pouvons les détecter ». Encore faut-il parvenir à décrypter les messages dont ces espions du monde sous-terrain sont porteurs… Un défi relevé l’été 2002, par les chercheurs du Sudbury Neutrino Observatory, un détecteur installé au Canada. Ils sont parvenus à décrire le changement de nature qui affecte une partie des neutrinos émis et explique que les détecteurs récupèrent moins de particules que prévu. Pour voyager au centre de la Terre, les Italiens proposent donc d’utiliser un détecteur classique : une sphère remplie d’eau lourde, c’est-à-dire enrichie en deutérium (un isotope de l’hydrogène qui réagit avec les neutrinos) et dont l’intérieur est tapissé de milliers de tubes photomultiplicateurs, les yeux du détecteur. Un antineutrino qui pénètre dans le détecteur a toutes les chances de rencontrer un noyau de deutérium. Tous deux réagissent en échangeant une particule chargée, un boson W. Le neutrino se transforme alors en un électron bourré d’énergie éjecté à la vitesse de la lumière. Ce phénomène provoque une onde de choc de lumière, la radiation Cherenkov », détectée par les tubes. On détermine alors la somme des antineutrinos émis au départ, en fonction de celle recueillie par le détecteur. Ainsi, pour la première fois, on pourra estimer la quantité d’éléments radioactifs situés dans les entrailles de la Terre ! Cela étant, la méthode ne permet pas de conclure qu’un antigéoneutrino a été produit dans la croûte, le manteau ou le noyau. Elle ne localise pas précisément la radioactivité souterraine. Conscient de ces limites, Gianni Florentini a imaginé une expérience encore plus ambitieuse : « Le détecteur pourrait être installé dans un sous-marin. En multipliant les expériences en différents lieux bien choisis, les géologues dessineraient une véritable carte de la radioactivité souterraine ». L’idée est lancée, la balle est dans le camp des géologues.


Le sort du vivant est d’ordre magnétique

 

A quoi bon aller au centre de la Terre ? La question ne se pose plus quand on sait que le sort des nombreuses espèces animales, et même celui de l’homme, dépend de l’activité du noyau enfoui sous nos pieds. Sans parler de la prévision des séismes ou de l’élucidation de mystères enveloppant d’autres planètes. Plongée au cœur de préoccupations cruciales.

 

 

 

Aurora-Borealis
 

 

 

D’intrépides voyageuses, telles sont les tortues de mer, qui parcourent des milliers de kilomètres pour se reproduire dans des contrées propices. Après avoir quitté la Floride, ne traversent-elles pas l’Atlantique jusqu’aux Açores, avant de piquer vers le sud ? Or, aux Açores, elles frôlent un courant qui monte vers l’Atlantique Nord. Un courant qui, si elles s’y aventuraient, les entraînerait inéluctablement vers une froideur fatale. Comment font-elles pour ne pas se tromper de route ? On sait depuis peu qu’elles se repèrent grâce au champ magnétique terrestre. Autrement dit, le sort des tortues – mais aussi des oiseaux migrateurs, de bactéries, etc. – est suspendu à l’activité du noyau terrestre enfoui à 6350 km sous leurs nageoires. Et encore plus quand on sait que le champ magnétique ne cesse de varier, comme lors des deux derniers siècles. Sans conséquences, semble-t-il, pour les tortues de mer. Mais en sera-t-il toujours ainsi ? Si tel n’était le cas, que de bouleversements alors sur Terre !

 

Des effets sur la santé

 

Le problème, c’est que pour estimer les variations futures du champ magnétique, il faudrait en connaître l’origine. Une tâche impossible tant que la nature du formidable générateur de champ magnétique niché au centre de la Terre ne sera pas précisément connue. Et voilà bien le premier intérêt d’aller voir de près ce qui se passe au cœur de notre planète. Le noyau externe est-il constitué de fer en fusion agité de turbulences propres à créer un champ magnétique ? Contient-il du potassium 40 alimentant ce champ en énergie ? A moins qu’il ne le génère en se comportant tout entier comme un géoréacteur… Pour l’heure, les spécialistes peinent à trancher entre ces hypothèses. Pourtant, c’est le sort de nombreuses espèces animales qui est en jeu. Et même celui de l’homme ! Car le noyau a des conséquences directes sur sa santé. « La présence du champ magnétique terrestre est importante en ce sens que les lignes de champ protègent des radiations cosmiques », rappelle Annie Souriau, géophysicienne à l’Observatoire Midi-Pyrénées, à Toulouse. De fait, le champ magnétique agit comme un bouclier contre les particules électriquement chargées qui heurtent de plein fouet notre planète. Provenant du Soleil ou de l’espace, ces particules (des protons, des électrons, des noyaux d’hélium ionisés…) sont en partie déviées par les lignes de champ magnétique jusqu’aux pôles où, en ionisant l’atmosphère, elles nappent le ciel d’aurores boréales. Sans le noyau et son champ magnétique, ce bouclier n’existerait pas et notre planète serait bombardée de particules cosmiques. Exposés à une importante radioactivité, les êtres vivants connaîtraient alors mortalité et mutations…

 

Ce n’est pas tout. Car nombre d’équipements sont également concernés. En Amérique du Sud, par exemple, une anomalie de bas champ magnétique cause régulièrement des avaries aux satellites survolant la région. En 2001, elle provoqua même 15 jours durant la panne d’un des instruments du satellite d’observation de la Terre de la Nasa, Terra. Et les dégâts s’accentuent lorsque s’y ajoutent les humeurs du Soleil. Lors de ses maxima d’activités, les bouffées de particules qu’exhale notre astre sont si denses qu’elles perturbent le champ magnétique et déclenchent des orages magnétiques. Orages qui détruisent des satellites en déréglant les puces électroniques embarquées, troublent les communications et les réseaux électriques. En 1989, le Québec fut ainsi plongé dans l’obscurité après qu’une tempête magnétique eut fait disjoncter le réseau électrique.

 

Questions : doit-on alors craindre une diminution générale du champ magnétique et donc un effritement de la protection contre les particules cosmiques ? Une modification du champ magnétique accentuerait-elle les orages magnétiques ? Là encore, seule l’élucidation du moteur du champ magnétique permettrait de répondre.

 

Vers l’inversion des pôles ?

 

Toutefois, les donnés paléomagnétiques fournissent quelques pistes. L’orientation du champ magnétique à diverses époques du passé peut se déduire, en effet, de la disposition de cristaux dans des laves solidifiées. Et ces enregistrements géologiques ont montré que le champ était à son maximum il y a deux mille ans et qu’il n’a, depuis, cessé de diminuer. S’il continue de la sorte, il s’annulera, puis s’inversera (les pôles magnétiques Nord et Sud échangeant leur place) dans les deux prochains millénaires. Une durée compatible avec les travaux de Bradford Clement de l’université internationale de Floride qui, en examinant des roches sédimentaires, a conclu qu’en moyenne lors des quatre dernières inversions (la dernière datant d’il y a 780 000 ans) le champ a basculé en 7000 ans.

 

 

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Si une inversion est bien en cours, les variations qu’elle entraîne portent sur des durées de l’ordre d’une centaine à un millier d’années. Mais le risque qui pèse sur les satellites n’en est pas pour autant écarté car le champ magnétique se déplace à une vitesse moyenne de 10 km par an. A Paris, par exemple, la direction indiquée par les boussoles a pivoté d’une trentaine de degrés en quatre siècles, signe d’un déplacement du pôle Nord magnétique. Conclusion : une zone placée sous haute protection du champ magnétique peut en quelques années perdre une grosse partie de cette défense. L’évolution du champ magnétique est donc bien une préoccupation à court terme pour l’industrie spatiale.

 

A plus longue échéance, l’intérêt d’étudier le noyau touche cette fois à la prévision des séismes ! A l’origine des tremblements de terre, le déplacement des plaques de la surface terrestre est en effet l’expression superficielle de la dynamique du manteau. « Et nous n’aurons aucune certitude en la matière sans connaissances fondamentales sur le noyau. Car la dynamique du noyau et celle du manteau sont liées », explique Mar Monnereau, directeur-adjoint du laboratoire dynamique terrestre et planétaire à Toulouse. On aurait tort de considérer le manteau terrestre rigide, comme posé sur le noyau liquide, tel un bouchon flottant à la surface de l’eau. Une analogie plus juste serait celle de la casserole d’huile chaude placée sur un feu. Le manteau est mis en mouvement par sa propre chaleur, mais également par celle du noyau. Quiconque veut décrire la dynamique du manteau et la tectonique des plaques doit donc s’intéresser aux phénomènes qui siègent au cœur de la planète. Mais ici, un problème surgit. Celui de l’incertitude régnant sur les sources d’énergie à l’œuvre dans le noyau. Car même si on ne considère que les sources d’énergie classiques (chaleur emmagasinée à la naissance de la Terre, radioactivité naturelle, chaleur latente lors de la solidification de la graine, énergie potentielle des éléments radioactifs et des éléments légers rejetés lors de la cristallisation), les contributions de chacune d’elles sont entachées d’une large marge d’erreur. Avec comme conséquence, reconnaît Marc Monnereau, que « la température de surface du noyau est inconnue à plusieurs milliers de degrés Celsius près : elle varie selon les modèles entre 3000 et 6000 degrés ».

 

En raison de ce flou, les géophysiciens simulent la dynamique du manteau via les modèles « adimensionnés », c’est-à-dire faisant fi de paramètres tels qu’épaisseur du manteau ou température du noyau. Les conclusions qu’ils en tirent sont donc restreintes à des mécanismes généraux. Pour améliorer ces modèles, il paraît donc essentiel de préciser les sources d’énergie siégeant dans le noyau et leurs contributions respectives. Les simulations de la dynamique du manteau progresseront alors, améliorant du même coup la prévision des déplacements des plaques tectoniques. Il faudra certes patienter avant que la sismologie ne bénéficie des retombées de ces recherches, car les séismes et la tectonique des plaques s’effectuent à deux échelles différentes. Un séisme résulte de l’accumulation de tensions locales de l’écorce terrestre, à l’échelle d’une faille qui s’étend du mètre au kilomètre ; tandis que les modèles numériques de la dynamique de la Terre simulent la tectonique des plaques à l’échelle des continents. Mais la précision des modèles grandissant, la sismologie et l’étude de la tectonique des plaques finiront par se rejoindre, et la première profitera des avancées de la seconde.

 

Contrer la dynamo solaire


Et si l’étude du noyau éclaire la dynamique actuelle de la Terre, il en sera a fortiori de même pour plusieurs des zones d’ombre qui émaillent le passé de la planète, telles l’apparition des continents ou la date de formation du noyau. De quoi, au passage, en savoir plus sur les autres planètes du système solaire puisque toutes, sauf Vénus et Mars, possèdent un champ magnétique et, du coup, recèlent leur lot d’énigmes. Uranus, par exemple, indique un champ magnétique incliné de 55° par rapport à l’axe de rotation de la planète, alors que cet angle ne dépasse pas 10° chez les autres planètes. Est-ce circonstanciel, le champ d’Uranus étant sur le point de s’inverser ? Ou bien, cette inclinaison a-t-elle toujours existé ? Pour ces planètes, la Terre pourrait bien servir de système modèle. Tout comme pour le Soleil.

 

 

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Constitué d’un plasma d’hydrogène et d’hélium ionisés à 90 %, il abrite lui aussi une dynamo. Une dynamo responsable du cycle d’activité solaire de onze ans qui suscite bien des interrogations. Le comportement de notre étoile est pourtant crucial pour les activités humaines car les expulsions violentes de particules qui causent, sur Terre, des orages magnétiques, surviennent lors des épisodes d’intense activité solaire. En étudiant les rouages du moteur terrestre, nous parviendrons peut-être un jour à nous prémunir contre les foudres de la dynamo solaire. Pas de doute, le centre de la Terre est bien au cœur de multiples préoccupations.

 

Entretien avec Marc Monnereau

Du Laboratoire dynamique terrestre et planétaire, Toulouse.

 

En quoi l’étude du noyau de la Terre nous aide-t-elle à mieux connaître les autres planètes du système solaire ?

 

Grâce à l’étude de la dynamo terrestre, nous savons quelles conditions une planète doit respecter pour posséder un champ magnétique. Ce champ doit être entretenu par une source d’énergie interne, la planète doit tourner et son noyau être liquide.

 

Qu’en déduit-on lorsqu’une planète est dépourvue de champ magnétique ?

 

Mars ne possède pas de champ magnétique, mais on pense qu’elle a un noyau. L’absence de champ magnétique découlerait du refroidissement de la planète et de la solidification avancée de son noyau.

 

Pourquoi Vénus, jumelle de la Terre, n’a-t-elle pas de champ magnétique ?

 

Vénus est d’une taille comparable à la Terre, elle devrait donc a priori être dans le même état de refroidissement que notre planète, et donc avoir un noyau liquide et un champ magnétique. Elle ne fait certes qu’un tour sur elle-même en une année, mais les spécialistes disent que cette rotation suffit à produire un champ magnétique. On s’interroge donc sur la vitesse à laquelle Vénus s’est refroidie.

 

 


mars terre coupe

 
 

 

 

 

 

 

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