En sciences de la Terre et des planètes, on a des observations (sismiques, spatiales, etc.) et des modèles théoriques… Et parfois, les deux ne collent pas, mais alors, vraiment pas!

Récemment, des chercheurs se sont intéressés à un objet inaccessible: la partie solide du noyau terrestre, la graine. On ne parle donc pas ici de botanique, mais bien d’une boule solide fait d’un alliage de fer, soumis à des pressions de plusieurs centaines de giga Pascal (environ 3 millions de fois la pression atmosphérique) et des températures de plusieurs milliers de degrés, un peu l’enfer au centre de la Terre. La graine se situe au centre de la Terre, au milieu du noyau liquide, fait du même alliage, mais fondu grâce à des pressions un petit peu plus faibles. Pour l’observer, on en avait déjà parlé ici: pas de télescope pour voir à travers le manteau, mais des ondes sismiques qui nous permettent de connaître les propriétés élastiques des couches profondes: grosso modo, leur état liquide/solide, etc. Dès 1936, une sismologue danoise Inge Lehmann révèle la présence de la graine. Mais c’est seulement dans les années 70 que l’on devient certain qu’elle est faite de métal solide.

Et donc, où est le souci?

Le problème qui a intéressé ces chercheurs, c’est de comprendre comment la graine a commencé à cristalliser. Lorsqu’on étudie le noyau, on utilise souvent des résultats de métallurgie: après tout, ce n’est que du fer (très chaud, et à très haute pression, voir cet article précédent). Depuis la fin du 19ème siècle, on sait que pour cristalliser, il existe deux grandes familles de nucléation (l’apparition du tout premier cristal): la nucléation homogène, et la nucléation hétérogène. Et la grosse différence entre les deux, c’est la quantité de « surfusion » nécessaire pour faire cristalliser une quantité importante. La surfusion? C’est de combien de degrés il faut diminuer la température « en dessous » de la température à laquelle le cristal devrait normalement se former pour qu’il se forme effectivement. Si le liquide est parfaitement pure, la surfusion requise sera très grande! Si le liquide est en contact avec un solide (ayant les bonnes propriétés), la surfusion requise à la nucléation sera petite.

Surfusion, ou pourquoi l’eau reste liquide en dessous de 0.

Vous connaissez sûrement la surfusion pour l’eau: en mettant votre bouteille d’eau au congélateur, parfois elle peut rester liquide à des températures inférieures à 0 (alors qu’elle devrait geler à 0). Ça peut donner des effets assez impressionnants: l’eau se met instantanément à geler si elle est mise en présence d’un cristal de glace (ou d’une paroi avec les bonnes propriétés).

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(lien vers le gif)

Grâce à des expériences de laboratoire, il est possible d’obtenir de l’eau surfondu à -20°C. Il est même possible d’observer la surfusion de l’eau lors de la formation des nuages!

Et donc, la surfusion, ça vient de quoi? C’est une question d’énergie, et en particulier d’énergie interfaciale, entre le liquide et le solide. Il y a une barrière d’énergie liée à l’énergie interfaciale du premier cristal qui se forme. En effet, tant que le cristal est petit, cette énergie est grande, et c’est une énergie à fournir « en plus » au cristal, pour qu’il puisse cristalliser alors que la tension de surface agit en sens inverse.

Au milieu de la Terre

Et la graine dans tout ça? Et bien il ne reste plus qu’à calculer si la surfusion est suffisante pour faire cristalliser un premier cristal façon cristallisation homogène, ou s’il faut chercher des arguments pour la cristallisation hétérogène. Les auteurs de l’étude ont regardé les recherches en métallurgie pour la surfusion du fer et des alliages de fer, qui sont faites à pression ambiante et haute température. Et il semblerait que la surfusion prévue dans le noyau terrestre, ce serait de l’ordre de 1000K… C’est à dire à peu près la température pour faire cristalliser le noyau terrestre entièrement! La conclusion serait donc que la graine n’a pas pu cristalliser via nucléation homogène…

Certains pourraient penser que la nucléation hétérogène serait la solution. Problème, il n’est pas facile pour un solide de survivre dans un océan de fer liquide! La graine, on l’observe, elle existe, et sa cristallisation lente est même l’explication privilégiée pour expliquer la présence d’un champ magnétique générée dans le cœur de notre planète.

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Il est probable que je ne vous conseillerais pas ce film pour ses qualités scientifiques…

Comment réconcilier l’existence de la graine solide et le problème de nucléation? Les auteurs de l’étude proposent un scénario digne d’un film de science fiction: un morceau de fer solide de plusieurs centaines de kilomètres de long qui s’enfonce dans le noyau liquide jusqu’au centre au moment opportun pour commencer la cristallisation. Pas besoin d’explosions nucléaires pour relancer la dynamo, comme dans un certain film de science fiction, mais un “nugget” de fer aux propriétés exactement comme il faut: suffisamment gros pour ne pas fondre pendant sa traversée du fer liquide à plusieurs milliers de degrés, mais pas trop pour pouvoir avoir été “capturé” par le manteau solide pendant la formation planétaire, et surtout que ce processus ait lieu exactement au bon moment, lorsque la surfusion n’est pas encore trop forte.

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Modèle proposé par Huguet et al. 2018 pour amener un cristal de fer au centre du noyau, pour démarrer la cristallisation (figure modifiée du papier)

Trop aléatoire pour penser que cela pourrait vraiment s’être déroulé? Peut être pas. Il est aussi possible que la cristallisation et la nucléation à des pressions et des températures si grandes soient bien plus contre-intuitive que ce que les auteurs du papier ne veuille penser. Les données actuelles sont en tout cas problématiques pour nucléer la graine terrestre.

Qu’est-ce que ça change?

Cette étude est extrêmement intéressante car elle remet en question certains modèles simplistes de l’évolution chimique et thermique du centre de notre planète. Une des questions récurrentes dans l’étude du noyau terrestre, c’est le timing de la formation du champs magnétique, et l’âge de la graine… Et oui, il n’y avait pas de sismomètres pour observer la graine, il y a plusieurs milliards d’années. Donc nous ne savons pas quand le noyau a commencé à cristalliser: il y a un demi milliards d’années, ou dès la formation de la Terre? Mais si la graine est jeune… Comment le champ magnétique terrestre était-il généré, avant?

Cela permet aussi de poser des questions intéressantes pour les autres planètes, du système solaire et d’ailleurs. En effet, en cherchant dans les confins de notre galaxie des planètes qui ressemblent à la Terre, nous cherchons aussi des planètes qui génèrent un champ magnétique… et donc qui ont une graine? Mais pour l’instant, même la compréhension des  champs magnétiques des planètes telluriques du système solaire nous échappe, que ce soit pour les champs actuels de Mercure et la Terre, ou les champs passés de la Lune et Mars.

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Structure interne des principaux corps telluriques (= rocheux) du système solaire. Image NASA

Pour aller plus loin:

L’article en question (en libre accès): Huguet, L., Van Orman, J. A., Hauck, S. A., & Willard, M. A. (2018). Earth’s inner core nucleation paradox. Earth and Planetary Science Letters, 487, 9-20. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X18300360

Merci à Ludovic Huguet, auteur de l’étude, d’avoir aidé à écrire cet article! Pour plus de ses publications, allez voir son profil Google Scholar.

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