« Si jamais vous laissez tomber vos clés dans une rivière de lave en fusion, laissez-les partir, parce que, mec, elles sont parties. » -Jack Handey
Jetez un coup d’œil à notre planète mère, la Terre, et l’une des choses que vous remarquerez est que plus de 70% de la surface est recouverte d’eau.
Nous savons tous pourquoi, bien sûr : c’est parce que les océans de la Terre flottent au-dessus des roches et de la terre qui constituent ce que nous connaissons comme la terre.
Ce concept de flottaison et de flottabilité – où les objets les moins denses s’élèvent au-dessus des plus denses, qui coulent au fond – fait bien plus qu’expliquer les océans.
Ce même principe explique pourquoi la glace flotte sur l’eau, pourquoi un ballon d’hélium s’élève dans l’atmosphère ou pourquoi les pierres coulent au fond d’un lac, cette dernière raison étant que l’eau moins dense monte autour de la pierre. Ce même principe – de flottabilité – explique aussi pourquoi la Terre est stratifiée comme elle l’est.
La partie la moins dense de la Terre, l’atmosphère, flotte au-dessus des océans aqueux, qui eux-mêmes flottent au-dessus de la croûte terrestre, qui se trouve au-dessus du manteau plus dense, qui lui-même ne peut pas s’enfoncer dans la section la plus dense de la Terre : le noyau.
Idéalement, l’état le plus stable dans lequel la Terre pourrait se trouver serait une couche parfaite comme un oignon, avec les éléments les plus denses tous vers son centre, chaque couche extérieure étant progressivement constituée d’éléments moins denses. En fait, chaque tremblement de terre qui se produit sur la Terre est en réalité la planète qui se rapproche d’un tout petit pas de cet état idéal, car notre taux de rotation s’accélère légèrement à la suite de chacun d’eux.
Et cette image de notre monde, stratifié par densité avec des couches moins denses entourant les couches intérieures, progressivement plus denses, explique la structure non seulement de la Terre, mais de toutes les planètes. Tout ce que nous avons à faire est de nous rappeler d’où viennent tous ces éléments en premier lieu.
Lorsque l’Univers était très jeune – âgé de quelques minutes seulement – pratiquement les seuls éléments qui existaient étaient l’hydrogène et l’hélium. Tous les plus lourds étaient fabriqués dans les étoiles, et ce n’est que lorsque ces étoiles mouraient que ces éléments lourds étaient recyclés dans l’Univers, permettant à de nouvelles générations d’étoiles de se former.
Mais cette fois, un mélange de tous ces nouveaux éléments – pas seulement de l’hydrogène et de l’hélium, mais du carbone, de l’azote, de l’oxygène, du silicium, du magnésium, du soufre, du fer et plus encore – entre dans la formation non seulement de nouvelles étoiles, mais aussi d’un disque protoplanétaire autour de chacune de ces étoiles.
La pression extérieure de l’étoile nouvellement formée pousse préférentiellement les éléments les plus légers vers les parties extérieures du système solaire, tandis que la gravité provoque l’effondrement des instabilités dans le disque et la formation de ce qui deviendra des planètes.
Dans le cas de notre système solaire, les quatre mondes les plus internes sont les quatre planètes les plus denses de notre système solaire, Mercure étant composée des éléments les plus denses. Tous les quatre ont été incapables de retenir gravitationnellement les grandes quantités d’hydrogène et d’hélium avec lesquelles ils se sont formés, ce qui les a empêchés de devenir des géants gazeux comme les quatre autres planètes de notre système solaire.
Mais les planètes extérieures, étant à la fois plus massives et plus éloignées du Soleil (et recevant donc moins de radiations), ont réussi à accrocher de grandes quantités de ces éléments ultra-légers, et ont formé des géantes gazeuses.
Chacun de ces mondes, un peu comme la Terre, possède – globalement – les éléments les plus denses concentrés au cœur, les plus légers formant des couches progressivement de moins en moins denses autour de lui.
Il ne devrait pas être très surprenant que le fer, l’élément le plus stable et le plus lourd fabriqué en grande abondance en dehors des supernovae, soit l’élément le plus abondant dans le noyau de la Terre. Mais vous serez peut-être surpris d’apprendre que, entre le noyau interne solide et le manteau solide, se trouve une couche liquide de plus de 2 000 kilomètres d’épaisseur : le noyau externe de la Terre.
Un peu comme le chewing-gum dégoûtant que votre grand-mère avait l’habitude de transporter, la Terre possède une énorme couche liquide à l’intérieur, contenant un bon 30 % de la masse de notre planète ! La façon dont nous savons que le noyau externe est liquide est assez brillante : grâce aux ondes sismiques produites par les tremblements de terre !
Il existe deux types différents d’ondes sismiques produites lors des tremblements de terre : l’onde de compression primaire, dite onde P, qui fonctionne comme une impulsion à travers un slinky,
et l’onde de cisaillement secondaire, dite onde S, qui se propage comme des vagues à la surface de la mer.
Les deux ondes se déplacent dans une enveloppe sphérique vers l’extérieur à partir de leur point d’origine sur la Terre, frappant et ondulant à travers non seulement la surface près de leur épicentre, mais dans le monde entier ! Les stations de surveillance sismique à travers le globe sont équipées pour capter les ondes P et S, mais les ondes S ne voyagent pas à travers un liquide (elles sont atténuées, cependant), tandis que les ondes P non seulement voyagent à travers un liquide, mais elles sont réfractées !
En conséquence, nous pouvons apprendre que la Terre a un noyau externe liquide, un manteau solide à l’extérieur de celui-ci, et un noyau solide à l’intérieur ! Voilà donc comment il se fait que la Terre possède les éléments les plus lourds et les plus denses en son cœur, et comment nous savons que son noyau externe est une couche liquide.
Mais pourquoi le noyau externe est-il liquide ? Comme tous les éléments, le fait que le fer soit solide, liquide, gazeux ou « autre » dépend à la fois de la pression et de la température du fer.
Le fer, cependant, est beaucoup plus compliqué que de nombreux éléments auxquels vous pouvez être habitué. Bien sûr, il peut prendre une variété de phases solides cristallines, comme indiqué ci-dessus, mais nous ne sommes pas intéressés par ces pressions normales, indiquées dans les diagrammes ci-dessus. Nous descendons jusqu’au noyau de la Terre, où la pression n’est pas seulement quelques fois (ou même quelques centaines de fois) la pression atmosphérique à laquelle nous sommes habitués, mais plutôt des millions de fois ce qu’elle est au niveau de la mer. À quoi ressemble le diagramme de phase pour des pressions excessives comme celle-là ?
Ce qui est merveilleux avec la science, c’est que même lorsque vous ne connaissez pas la réponse sur le bout des doigts, il y a de fortes chances que quelqu’un ait fait les recherches où vous pouvez trouver la réponse ! Dans ce cas, Ahrens, Collins et Chen, 2001 ont la réponse que nous cherchons!
Bien que ce diagramme montre des pressions énormes – jusqu’à 120 GigaPascals – il est important de se rappeler que notre atmosphère n’a que 0,0001 GigaPascals, alors que le noyau interne subit des pressions estimées à 330-360 Gpa ! La ligne solide la plus haute représente la limite entre le fer fondu (au-dessus de la ligne) et le fer solide (en dessous). Mais remarquez comment, juste au bord de la ligne solide, elle prend un virage serré vers le haut ?
À 330 GigaPascals, il faut une température énorme, quelque chose de comparable à celles que l’on trouve à la surface du Soleil, pour faire fondre le fer. Cependant, ces mêmes températures, à des pressions plus faibles, maintiendront facilement le fer dans sa phase liquide, tandis qu’à des pressions plus élevées, le fer se transformera en solide. Qu’est-ce que cela signifie pour le noyau de la Terre ?
La température la plus élevée – au centre de la Terre – que notre planète atteint est d’un peu moins de 6 000 kelvins, tandis que la température de fusion du fer à la limite noyau interne/noyau externe est tout récemment estimée à peu près à cette valeur également.
Mais voici le coup de théâtre : la Terre se refroidit avec le temps, car sa chaleur est rayonnée dans l’espace extérieur plus rapidement qu’elle ne génère sa propre chaleur par désintégration radioactive. A l’intérieur de la Terre, sa température intérieure baisse, tandis que sa pression reste constante.
En d’autres termes, lorsque la Terre s’est formée, elle était plus chaude ; il est très probable que tout le noyau était autrefois liquide, et comme il continue de se refroidir, le noyau interne continue de croître ! Et comme cela se produit, le fer solide ayant une densité plus élevée que le fer liquide, la Terre va se contracter légèrement, nécessitant quoi ?
Plus de tremblements de terre !
Le noyau de la Terre est donc liquide car il est assez chaud pour faire fondre le fer, mais seulement aux endroits où la pression est assez faible. Au fur et à mesure que la Terre continue à vieillir et à se refroidir, une partie de plus en plus importante du noyau devient solide, et quand cela se produit, la Terre rétrécit un peu !
Si nous voulons regarder loin dans le futur, nous pouvons nous attendre à acquérir éventuellement des caractéristiques comme les grandes cicatrices trouvées sur Mercure !
Parce qu’elle est si petite, Mercure s’est déjà refroidie et contractée énormément, et présente des fissures de cent milles de long d’où elle a été forcée de se contracter à cause de ce refroidissement !
Alors, finalement, pourquoi la Terre a-t-elle un noyau liquide ? Parce qu’elle n’a pas encore fini de se refroidir ! Et chaque tremblement de terre que vous ressentez, c’est la Terre qui se rapproche un tout petit peu plus de son état final, refroidi, solide sur toute la ligne !
(Ne vous inquiétez pas, cependant, le Soleil explosera et vous et tous ceux que vous connaissez seront morts pendant un très long moment avant que cela n’arrive !)
.
