Il y a beaucoup de choses faciles à mesurer à la surface de la Terre. Quand on regarde la météo, en particulier, on s’intéresse beaucoup à la température, à la pression et à l’humidité (OK, je suis bretonne, appelons ça la pluie). Mais dans les profondeurs de la Terre? On vous avait déjà un peu parlé de pression et de composition dans un article précédent (ici exactement). En plein centre de notre planète, il y fait globalement chaud et la pression y est élevée… C’est même pour ça qu’on vous avait parlé des enclumes à diamants pour étudier l’état des minéraux. Mais peut-on quantifier ces deux grandeurs? Et avec quelle précision?

Rappels

Rappelons tout d’abord ce que sont pressions et températures… Ce sont des grandeurs thermodynamiques qui reflètent l’état microscopique d’un système. La pression permet d’estimer les forces qui s’exercent sur les bords d’un objet dues au poids de la colonne de matériel au dessus (c’est une force par unité de surface), et la température mesure l’agitation des atomes et molécules à l’échelle microscopique (vitesse, vibrations etc.).

Pourquoi j’utilise des mots techniques pour présenter cela? Parce que souvent, pression et température, nous les utilisons dans notre vocabulaire de tous les jours, pour des valeurs qui nous sont « familières », que l’on peut se représenter et qui ont du sens pour nous et nos voisins. Ce n’est pas pour rien que l’échelle de température américaine, le degré Fahrenheit, se place pour la plupart des activités humaines entre 0 (la température la plus faible observée dans la ville de Dantzig, d’après Wikipedia, environ -17.8°C) et 100 (la température du sang d’un mammifère, un cheval, toujours d’après Wikipedia, qui correspond donc environ à 38°C). Lorsque que l’on cherche une échelle de pression ou de température… On veut pouvoir utiliser des chiffres clairs (sans trop de 0), et qui permettent de discuter avec son voisin. Pour la pression, l’unité utilisée en météo est l’atmosphère, c’est à dire la pression atmosphérique moyenne, telle qu’elle sera mesurée au niveau moyen de la mer à la latitude de Paris. Cette « atm » vaut 101 325 Pa, où « Pa » signifie Pascal, l’unité du système international pour la pression.

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Photo d’un ancien thermomètre et baromètre (obtenu sur un site de photos de stock gratuites)

Pour la météo, on mesure la pression et la température… in situ, c’est à dire « à l’endroit même où l’on veut connaître la valeur ». On utilise des thermomètres et des baromètres, qui sont calibrés pour donner des valeurs autour des valeurs habituelles.

Mais pour l’intérieur de la Terre, on fait comment? Pas moyen d’aller y glisser des thermomètres ou des baromètres. Et même en le faisant, on serait bien loin des valeurs calibrées sur les appareils de météorologie. On utilise donc des méthodes indirectes.

Pression

Qu’est-ce que la pression? Le poids de la colonne de matériel au dessus? Pas de soucis, il suffit donc d’estimer les densités (ou masses volumiques) des matériaux dans la Terre pour calculer champs de gravité et pression. Coup de chance, la densité, c’est une des propriétés que l’on peut extraire, avec quelques traitements, de certaines propriétés sismiques, ainsi que de l’étude fine de la rotation des planètes. Les études sismiques? Parfait pour la Terre! Par contre, dès que l’on parle d’autres planètes, du système solaire ou d’ailleurs, on a beaucoup moins d’informations. La façon dont la planète tourne sur elle même nous renseigne quand même sur la répartition interne de densité et les propriétés physiques (vous avez déjà essayé de faire tourner des œufs crus et des œufs durs? Faites un tour dans votre cuisine, ou allez voir par exemple!)

Pour la Terre, on regarde donc les observations sismiques, et en particulier le modèle PREM (Preliminary Earth Model), pour obtenir le profil de densité moyen dans la Terre. Pour PREM, on parle de modèle « 1-D » ou unidimensionnel: l’hypothèse est donc que l’on peut découper la Terre en petites couches comme un oignon, et qu’il n’y a pas de variations latérales (ou horizontales) de densité. Et à partir du profil de densité, *tadaaaa* on obtient le profil de pression. Et donc, au centre de la Terre, la pression est d’environ 360GPa!

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Profil en densité et vitesses sismiques du modèle PREM (données disponibles dans la publication) avec le schéma de la Terre correspondant. Vous pouvez y noter: la densité (en vert) croit avec la profondeur partout, c’est l’effet de la pression. Les « sauts » représentent des changements de composition (entre manteau et noyau) et des changements de phase (visibles surtout au milieu du noyau et dans les parties supérieures du manteau)

Un calcul?

Vous voulez voir le calcul ? Allez, on vous propose ça pour un prochain article, et on mettra un update ici ! (pour vous tenir au courant, abonnez vous au blog!)

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Profils de pression (en rouge) et accélération de la gravité (en vert) obtenus dans le profil PREM. On peut noter que l’accélération de la gravité est quasi-linéaire dans le noyau, et quasi-constant dans le manteau!

Température

Pour la température, c’est définitivement une autre paire de manche… Et c’est même la raison de cet article. Comment peut-on estimer la température au milieu de la Terre? Difficile d’utiliser les mesures de surface (le flux de chaleur à la surface de la Terre est majoritairement d’origine radioactive… qui provient de la croûte presque intégralement) ou les mesures de densité (et oui, pour obtenir la température il nous manque un autre paramètre: la composition!)

On utilise alors des modèles de température basés sur nos connaissances des transports de chaleur dans la Terre (par conduction, convection ou par rayonnement?) et sur des points d’ancrages, des points particuliers pour lesquels on pense connaître (presque) précisément la température.

Profil isentrope

Dans la Terre, les matériaux sont opaques et denses, on pense donc que la chaleur s’y transfère par conduction ou convection. En quelques mots, cela veut dire que la chaleur est transmise soit directement d’une parcelle de matériau à une autre par diffusion de la chaleur (votre manche en métal de casserole qui se réchauffe lorsque vous réchauffez la casserole sur le feu) soit par déplacement de la parcelle de matériau (l’eau qui fait des allers retours de haut en bas dans votre casserole d’eau qui chauffe). D’une manière générale, tous les matériaux conduisent la chaleur, de façon plus ou moins efficace (c’est pour ça que les fabricants de casseroles mettent des manches en bois ou plastique — qui conduisent moins bien la chaleur que le métal), et si la conduction n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur, alors le matériau essaye de bouger pour la transporter vers la surface. Mais si le matériau est trop résistant au mouvement (il est trop visqueux) alors alors aucun mouvement ne se produit. Tout est aussi question d’échelle de temps, et pour le manteau terrestre, les échelles de temps pour « voir » que la roche flue, c’est de l’ordre du millier d’années!

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Dans le manteau et le noyau terrestre, on estime que le mouvement est efficace pour transporter la chaleur vers l’extérieur, ce qui contraint le profil moyen de température à suivre une loi physique connue, le profil dit isentrope. On connaît alors la pente de la température en fonction de la pression (ou de la profondeur), mais pas la valeur exacte de la température!

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Structure de la Terre avec représentation des transports principaux de chaleur. La convection est stylisée par de grandes cellules de convection, mais la taille et forme de celles-ci dépendent de multiples paramètres: viscosité, couches limites, rotation, etc.

Points d’ancrage: aux changements de phase

Pour ça, nous avons besoin d’informations supplémentaires… Et ça tombe bien, dans les modèles sismiques, il y a une chose dont nous n’avons pas encore beaucoup parlé: des discontinuités. À l’interface entre le noyau et le manteau, il y a évidemment un saut important dans les propriétés physiques, mais ce n’est pas le seul. Dans le noyau et dans le manteau, il existe plusieurs profondeurs pour lesquelles la densité et la vitesse des ondes sismique « décroche », elle passe brusquement d’une valeur à l’autre. Ces décrochements correspondent à des changements de phases, des réorganisations importantes au niveau microscopique, voir même la formation d’un nouveau cristal!

Pour le noyau terrestre, c’est donc la cristallisation de la graine qui est visible. Et cette cristallisation, on en connaît la pression (la profondeur), il reste donc seulement à réaliser des expériences à haute pression et haute température pour en déterminer la température! Plusieurs équipes s’y attellent, et on connaît maintenant relativement bien les températures de fusion du fer pur à haute pression. Malheureusement, la pression de l’ICB (Inner Core Boundary, la limite Noyau-Graine) est extrêmement difficile à atteindre, et il est aussi difficile de dire avec précision si un matériau confiné entre deux tous petits diamants est effectivement fondu. Les mesures actuelles donneraient la température de fusion du fer pur aux alentours de 6000K (+/- 500) à la pression de l’ICB!

Évidemment, il faut aussi rajouter une inconnue: la composition exacte du noyau. Eh oui, si vous remplacez par exemple quelques pourcents en masse de fer par du silicium, on estime que la température de fusion sera diminuée d’environ 500K. Un peu comme lorsqu’on rajoute du sel sur les routes pour faire fondre la glace en hiver!

Par contre, mauvaise nouvelle, entre l’incertitude sur la composition, et l’incertitude sur les mesures expérimentales, on estime généralement que l’incertitude sur la diminution de la température de fusion du noyau par rapport à la température de fusion du fer et de l’ordre de +/- 500K… En gros, on s’attend à ce qu’il y ait un effet, mais on ne sait pas trop. Au final, la valeur couramment utilisée est de 5500K à l’ICB, avec une incertitude de +/-1000K… On en revient à ce qu’on disait au départ: c’est très chaud!

Le problème des couches limites

Il reste un souci, c’est connecter les profils de température aux interfaces: entre le noyau et le manteau, mais aussi à la surface. Ce sont des zones particulières, appelées couches limites, où la chaleur est transportée par conduction. Il existe plusieurs théories pour estimer la taille d’une couche limite, sa structure, etc. Il y a tout un pan de la géophysique dédié à l’étude des couches limites dans la Terre: ce sont en fait elles qui vont contrôler, par leurs propriétés physiques, les transports de chaleur et de chimie entre les différentes couches de notre planète. On pourra juste vous indiquer deux petits axes de recherche intéressants:

  • l’interface noyau/manteau est bien plus mouvementée qu’elle n’y parait, et la zone dans le manteau situé juste au dessus du manteau est scrutée par les sismologues. Elle comporte des zones avec des anomalies de vitesses sismiques, qui ont toutes des abréviations imprononçables: LLSVP (Large Low Shear Velocity Province: larges provinces qui ont une anomalie négative des ondes S, de cisaillement), ULVZ (Ultra Low Velocity Zone: des zones beaucoup plus petites que les provinces, qui montrent des vitesses sismiques encore plus faibles, et très localisées). Interactions avec le noyau, cimetières des plaques océaniques rentrées en subduction, vestiges de la cristallisation du manteau, les débats sont toujours ouverts.
  • La croûte et une partie du manteau supérieur forment une couche au comportement différente du manteau: la lithosphère peut se casser, et générer des séismes. Pour les mouvements de convection dans le manteau, cela veut dire que la couche limite supérieure a un comportement particulier… et en particulier, que des plaques peuvent se former! La grande question de pourquoi la Terre est la seule planète du système solaire à montrer de la tectonique des plaques est toujours ouverte.

Conclusions

Avec toutes ces infos, nous pouvons maintenant tracer un profil de température probable pour la Terre.

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Exemple de profil de température dans la Terre simplifié. On peut noter: le fait que les profils de convection sont par nature différents dans le manteau et le noyau, du fait des variations de gravité principalement; les points d’ancrage des température, qui nous permettent de dire que les profils en gras sont plus cohérents (les profils en tiretés et pointillés sont là pour montrer l’effet d’un changement de point d’ancrage). P.S. les valeurs utilisée pour calculer les profils exacts sur cette figure sont « qualitatifs », pour faire bien il faudrait prendre les valeurs des coefficients thermodynamiques qui évoluent avec la profondeur… Donc à part la valeur à l’ICB, prenez tout ça avec une grosse grosse pincée de sel pour les valeurs « exactes ».

Et voilà, nous avons parlé pressions et températures au centre de notre planète… Si vous voulez briller en société, vous pouvez essayer de vous rappeler que au niveau de la graine, la pression y est de 335GPa et la température de 5500K, soit à peu près la température à la surface du soleil. Vous pourriez aussi discuter du fait que connaître ses valeurs est bien plus compliqué qu’il n’y parait… On pourra un jour peut-être observer des atmosphères d’exoplanètes, mais on est vraiment loin de savoir exactement ce que nous avons 6000km sous nos pieds.

 

 

Pour aller plus loin:

  • le papier original de PREM: PReliminary Earth Model (Modèle préliminaire de la structure 1D de la Terre)

Dziewonski, A. M., & Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the earth and planetary interiors, 25(4), 297-356. Disponible ici en accès libre.

  • la publication de Anzellini sur la température de cristallisation du fer pur:

Anzellini, S., Dewaele, A., Mezouar, M., Loubeyre, P., & Morard, G. (2013). Melting of iron at Earth’s inner core boundary based on fast X-ray diffraction. Science, 340(6131), 464-466. Disponible ici en accès libre (site de UCSD)

  • le site de Stéphane Labrosse, professeur en géophysique à l’ENS de Lyon, pour voir des simulations de convection dans le manteau et des ressources de cours de niveau licence/master.
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