révéler les Secrets de la terre sous pression
• Le noyau de la Terre est sur la sellette
• refaire une planète un atome à la fois
• L’Exploration de Vénus commence physique des minéraux et des roches à AGU
• Une plongée dans les profondeurs de la terre
les recherches émergentes issues d’expériences à haute pression et à haute température suggèrent que le noyau interne de la terre pourrait être un « bébé planétaire” âgé d’un peu moins d’un milliard d’années-plus jeune que les océans, l’atmosphère et,
ces résultats représentent un changement radical de la façon dont les scientifiques pensaient que le noyau interne de la Terre progressait de ses débuts en fusion à aujourd’hui—et une source de débat controversé parmi les géoscientifiques.
L’incertitude réside dans des mesures des propriétés fondamentales de métal. On ne sait pas avec quelle efficacité le fer et les alliages de fer conduisent la chaleur dans le noyau, ce qui rend difficile pour les chercheurs de décrire comment le noyau s’est refroidi au fil du temps. Les physiciens des minéraux, les géophysiciens, les physiciens de la matière condensée et les dynamiciens tentent tous de trouver une réponse.,
« c’est un moment très provocateur en ce moment, je dirais, en termes d’études de base”, a déclaré Quentin Williams, professeur de Sciences de la Terre et des planètes à L’Université de Californie à Santa Cruz.
au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont inventé de nouvelles façons de presser des échantillons de métal à des pressions extrêmes tout en tirant des lasers pour chauffer les échantillons à des températures aussi chaudes que la surface du Soleil. Les expériences sont difficiles, cependant, et un consensus est insaisissable., Dans le même numéro de la revue Nature, juin 2016, deux équipes de recherche ont publié les résultats d’expériences distinctes à haute pression et à haute température-avec des résultats radicalement différents.
« c’est un sujet très important parce que c’est fondamentalement la condition aux limites de l’histoire thermique de la Terre”, a déclaré Ronald Cohen, chercheur à la Carnegie Institution for Science à Washington, D. C., La réponse pourrait réécrire notre compréhension de l’histoire de la Terre, ouvrant la voie à des découvertes dans la dynamique de la Terre à la surface, telles que le volcanisme et la tectonique des plaques, et aider à élucider des mondes lointains.
Générateur électrique de la Terre
« je pense que tout le monde est d’accord pour dire que le manteau et le noyau se refroidissent”, a déclaré Peter Olson, professeur adjoint de Sciences de la Terre et des planètes à l’Université du Nouveau-Mexique. « Ce que nous aimerions mieux savoir, c’est à quelle vitesse., »
le noyau de la Terre est en grande partie en fer, et il est divisé en deux parties: Une petite boule cristallisée de fer durci au centre de la terre, appelée noyau interne, et un noyau externe liquide qui entoure le noyau interne avec une” masse tourbillonnante de métal fondu », a déclaré Williams. Les scientifiques ont émis des hypothèses sur les noyaux de fer intérieurs et extérieurs depuis le 19ème siècle sur la base de la composition des météorites.
nous pouvons remercier le noyau pour la vie florissante sur Terre., La Convection dans le noyau externe soutient le champ magnétique qui nous protège du rayonnement solaire sévère et maintient notre atmosphère intacte. Lorsque le fer liquide traverse un faible champ magnétique, il crée un courant électrique à l’intérieur de la planète. À son tour, ce courant induit un champ magnétique secondaire, qui induit en outre un courant à l’intérieur du noyau. Cette boucle crée un générateur électrique de taille planétaire au cœur de notre planète appelé le géodynamo.,
Les Chercheurs avaient supposé que le noyau interne devait être très vieux car des recherches remontant à des décennies ont trouvé des empreintes digitales du géodynamo dans les plus anciennes roches survivantes de la Terre, datant de près de 4 milliards d’années.
Et en effet, l’idée d’un vieux noyau interne « sonnait raisonnable,” dit Kei Hirose, professeur de géophysique à l’Université de Tokyo et directeur de la Terre-Sciences de la Vie Institut à l’Institut de Technologie de Tokyo. Il a coché la case importante: un vieux noyau interne a alimenté le géodynamo pendant des milliards d’années en entraînant la convection thermique dans le noyau externe.,
la métallurgie donne un coup de main
Mais Hirose a remarqué que peu de gens avaient mesuré la conductivité thermique du fer dans des conditions extrêmes, et les quelques études qui avaient été achevées, à l’aide d’expériences sur les ondes de choc, présentaient de grandes incertitudes et n’étaient pas facilement reproductibles. La conductivité thermique pourrait être une valeur cruciale pour déterminer la dynamique du noyau: le noyau se refroidit par convection et conduction, et la vitesse à laquelle il conduit la chaleur contrôle la quantité de chaleur restante pour conduire la convection.,
la littérature scientifique énumérait des valeurs pour la conductivité, mais les valeurs étaient « hautement spéculatives”, a déclaré Hirose. Au lieu de cela, l’équipe s’est tournée vers la recherche dans un domaine différent d’une science basée sur les civilisations anciennes: la métallurgie. La métallurgie est l’étude des métaux, et ses débuts remontent aux premiers établissements humains lorsque la forge des métaux était le ticket pour fortifier les armées. La métallurgie vit aujourd’hui en tant que branche de la science des matériaux chargée du traitement des minéraux et des métaux.
« Une telle littérature n’était pas connue dans la communauté géoscientifique”, a déclaré Hirose., Peignant des papiers de métallurgie et menant des expériences à haute température en laboratoire, L’équipe de Hirose a conclu que les relations supposées entre la résistivité électrique et le fer se décomposaient à des températures élevées, suggérant que la conductivité thermique du fer était en fait assez élevée. Si leurs résultats étaient corrects, le noyau se refroidissait très, très rapidement.
la découverte « a cassé tous les Modèles”, a déclaré John Hernlund, professeur et vice-directeur de L’Institut des sciences de la Terre et de la vie., Hernlund, Hirose et d’autres ont écrit les résultats dans un article de bombe en 2013 qui « a créé un tremblement de terre virtuel dans la communauté géophysique”, a déclaré Hernlund.
dans une perspective publiée dans la revue Science plus tard cette année-là, Olson a nommé le problème le « nouveau paradoxe de base. »Si le noyau se refroidit beaucoup plus rapidement que nous ne le pensions,” la meilleure façon de contourner ce paradoxe est de penser au-delà du modèle standard d’évolution du noyau », a écrit Olson. Si le noyau interne était, en fait, très jeune, les chercheurs devaient mieux expliquer comment le géodynamo est piloté.,
travaux de laboratoire revêtus de diamants
le document scientifique a déclenché une vague de nouvelles expériences et de recherches théoriques.
Les deux articles publiés dans le même numéro de Nature en 2016 ont montré des prises expérimentales sur le comportement thermique du noyau.
Les auteurs des deux articles ont utilisé des cellules d’enclume de diamant, un dispositif de laboratoire à haute pression. Les cellules contiennent deux diamants, polis parfaitement en cônes avec leurs pointes rasées. Les scientifiques placent une fine tranche de fer—pas plus épaisse qu’un cheveu humain—entre les pointes des diamants.
pendant des décennies, les scientifiques ont profité du minéral le plus dur de la Terre, le diamant, pour des expériences en laboratoire., Aucun autre minéral ne peut le rayer, et lorsque deux diamants opposés sont parfaitement alignés, ils peuvent pincer une tranche de fer à des pressions bien supérieures à celles du noyau terrestre.
Hirose, qui utilisait fréquemment des cellules d’enclume de diamant en laboratoire, a déclaré que même si les diamants sont solides, la moindre variation de forme peut les faire craquer sous des pressions élevées. Les polisseurs experts lissent les côtés des diamants à moins de 1 micromètre, la largeur d’une petite bactérie. Hirose a appelé un technicien particulièrement qualifié « notre trésor », car peu peuvent atteindre une telle précision.,
Les diamants ont également un autre avantage: les chercheurs peuvent tirer des lasers à travers leurs côtés translucides pour envoyer une impulsion de chaleur dans l’échantillon. Les deux études ont utilisé des lasers pour chauffer leurs échantillons à des milliers de kelvins.
A Tale of Two Papers
dans l’une des expériences diamond anvil, une équipe de Washington, D. C., a mesuré la conductivité thermique du fer à l’aide de deux lasers pour chauffer rapidement l’échantillon et mesurer son changement de température inféré.,
dans l’autre expérience, une autre équipe de recherche basée à Tokyo a mesuré la conductivité électrique du fer, une propriété étroitement liée à la conductivité thermique, puis a utilisé une relation empirique pour calculer la conductivité thermique.
Les articles ont trouvé des résultats contradictoires, et leurs divergences révèlent à quel point les expériences à haute pression peuvent être difficiles. Le groupe de Tokyo a proposé une valeur de conductivité thermique de 88 (+29/-13) watts par mètre kelvin à la limite noyau-manteau, tandis que le groupe de Washington, D. C., a proposé 25 (±7) watts par mètre kelvin., La disparité des valeurs peut sembler faible, mais pourrait signifier la différence entre un noyau interne âgé de milliards d’années et un nouveau venu relatif dans la structure interne de la Terre.
Les différences expérimentales « peuvent avoir à voir avec l’orientation cristalline préférée dans les échantillons”, a déclaré Stewart McWilliams, chercheur à l’Université d’Édimbourg et coauteur de L’étude menée par L’équipe basée à Washington, D. C.,
Hirose, qui a dirigé l’équipe au Japon, a convenu que la pression utilisée pour comprimer les échantillons affecterait l’orientation des grains de cristal dans le fer, et les deux équipes avaient en effet pris des mesures perpendiculaires l’une à l’autre.
Stewart a déclaré que lui et d’autres se concentrent maintenant sur la modélisation des erreurs systématiques dans les expériences qui pourraient biaiser les mesures. Ces erreurs” vont un peu loin « pour expliquer les divergences,” mais pas assez », a-t-il déclaré.
Le temps dira si un juste milieu est la réponse., Quentin Williams, qui n « a pas participé à l » une ou l « autre étude et a publié une revue de la recherche sur la conductivité thermique dans la revue annual Reviews of Earth and Planetary Sciences, a écrit que » néanmoins, tout en reconnaissant que les affirmations intermédiaires sont hautement hazardous…it il ne serait pas surprenant (pour cet auteur) que les valeurs de conductivité thermique, avec des raffinements théoriques et expérimentaux améliorés, convergent finalement vers des valeurs dans une large plage de 35 à 80 watts par mètre kelvin dans les conditions du sommet du noyau externe., »
un compromis compositionnel
lorsque la Terre a fusionné d’un tas de gravats homogène dans son état différencié, en couches, son matériau séparé par la densité. Les matériaux flottants comme l’eau, l’air et les silicates sont restés sur le dessus et au milieu, et les matériaux denses comme le fer ont coulé au centre.
Mais selon des recherches sismiques qui remontent au milieu du 20ème siècle, le noyau de la Terre n’est pas du fer pur., Les mesures sismiques montrent qu’il est environ 10% moins dense que le fer pur et est composé d’alliages, y compris probablement le nickel et une recette spéciale d’éléments plus légers, peut-être le silicium, l’oxygène, le magnésium et le carbone.
cela pourrait être une bonne nouvelle pour le paradoxe de base, cependant. La présence d’éléments plus légers peut propulser la convection dans le noyau, donnant au géodynamo une source de convection même si la convection thermique est trop faible. Si des éléments plus légers provoquent la convection, cette source de flottabilité permet de contourner le paradoxe central.,
Cohen, Hirose et beaucoup d’autres étudient l’effet des éléments plus légers sur le transport de chaleur dans le noyau. ” C’est une question totalement, totalement ouverte », a déclaré Hirose.
de nouvelles études de suivi sont également en hausse. Kenji Ohta, professeur agrégé en sciences de la Terre et des planètes à L’Institut de technologie de Tokyo, a déclaré que son laboratoire explorait un moyen de faire fondre des échantillons à des températures et des pressions élevées, ce qui rapproche les scientifiques d’imiter le noyau externe liquide de la Terre. Des études ont été menées, pour la plupart, sur des échantillons solides.,
« Ce sont des choses passionnantes”, a déclaré Williams à propos de la course pour trouver une réponse. La question du noyau et de l’évolution thermique de la Terre « constituera un défi pour les 15 prochaines années pour la communauté. »
” c’est la question centrale de l’évolution de la Terre et de l’évolution de notre champ magnétique », a ajouté Williams. « C’est quelque chose qui doit finalement être compris. Ainsi, lorsque de tels défis sont posés à la communauté, ils sont parfois résolus lentement, car il est difficile d’obtenir une bonne réponse. Mais en fin de compte, ils recevront une réponse. Je suis très optimiste à ce sujet., »
—Jenessa Duncombe (@jrdscience), rédactrice
Remerciements
Eos remercie notre conseiller scientifique Sébastien Merkel, physique des minéraux et des roches, d’avoir aidé à développer notre thème spécial de juillet sur les expériences à haute pression et à haute température, qui comprend cet article.