Antoine LETELLIER

PROCESSUS NATURELS

Question:  D’où provient la chaleur interne sur Terre ?

Mots-Clés : Chaleur initiale, Chaleur latente,  Radioactivité 

 

Réponse à la Question

 

I.                  La chaleur initiale (de 20 à 24 % de la chaleur interne)

 

A.               Chaleur due aux forces de gravité qui ont transformé en planète les nuages de particules et de gaz chauds de l’espace (50 premiers millions d’années) : phase d’accrétion due à l’énergie cinétique transformée en chaleur :

 

Au moment de sa création, il y a 4,56 milliards d’années, la terre n’était qu’une sphère de poussières et de débris cosmiques qui se sont agglomérés. Puis petit à petit, sous l’effet de la gravitation, ces objets divers vont avoir tendance à se rassembler, ce qui va provoquer une multitude de chocs ayant pour conséquence de libérer de l’énergie cinétique et donc de la chaleur. Les chercheurs sont à peu près d’accord pour dire que cette phase d’accrétion a dû durer une centaine de milliers d’années à elle seule.

La chaleur dégagée va donc créer une planète liquide (par la fusion des éléments), qui mettra par la suite énormément de temps à se refroidir, et dégagera ainsi au cours de son histoire et jusqu’à maintenant encore une quantité de chaleur. Au début, la planète terre ressemble donc plus à une immense boule de feu plutôt qu’à la planète accueillante que l’on connait aujourd’hui, puis au fur et à mesure, elle va se différencier et refroidir pour devenir d’abord pâteuse puis durcir notamment au niveau de la couche externe(manteau supérieur) vers -4Ga. On va également avoir la création d’une atmosphère car avec la chaleur dégagée, on va observer un dégazage des corps. Plus tard, c’est la vapeur d’eau dans l’atmosphère qui formera les océans en se refroidissant.

Accrétion de la terre (source : http://www.astro.phy.ulaval.ca)

 

B.               Chaleur due à un tri gravitationnel :

 

Nous avons vu que le champ de gravitation terrestre avait causé l’assemblage de celle-ci, mais celui-ci croît avec l’accrétion et au-delà d’un certain seuil (tous les corps rocheux connus de plus de quelques 100x Km sont différenciés), il va avoir une autre fonction à savoir le tri gravitationnel. En effet, lors de l’accrétion, les éléments se sont accumulés sans aucun tri : les éléments les plus lourds vont avoir tendance à être entrainés vers le centre de la terre, ce qui avec les frottements de ceux-ci avec les matériaux alentours va provoquer un autre dégagement de chaleur. Cela explique aujourd’hui par exemple que la terre est constituée de couches concentriques de même nature chacune, et que l’on retrouve dans les couches les plus centrales les matériaux les plus lourds comme Fe ou Ni, et à l’inverse les éléments les plus légers en surface comme O, Si, Al (par exemple la densité moyenne du nickel est de 8.9, celle du fer de 7.32, alors que celles du silicium et de l’aluminium ne sont respectivement que de 2.5 et 2.7).

 

(source : http://www.emse.fr/~bouchardon)

 

On constate donc que le noyau est bien constitué de Fer et Nickel essentiellement alors que le manteau contient plutôt des éléments comme l’aluminium.

Quelques éléments sont même tellement légers comme H ou He, qu’ils échappent à la gravitation terrestre et s’en sont allés dans l’atmosphère ou dans le cosmos s’ils ne sont pas retenus par la gravitation ou le champ magnétique.


 

 

II.              La chaleur latente de cristallisation

 

Le noyau terrestre principalement composé de fer (79 %) est en partie liquide, et d’une graine solide. Ses températures étant très élevées (de 3800K en surface du noyau à 6000K en son centre) couplé à une très forte pression sont responsables des deux états du noyau.

Ainsi, avec le refroidissement terrestre, le métal liquide du noyau va cristalliser à la surface de la graine, dégageant  ainsi de la chaleur latente en quantité suffisante pour entretenir  des mouvements de convection thermiques (en chauffant les matériaux, ceux-ci vont devenir plus légers et légèrement se déplacer vers le haut). De plus, le noyau externe liquide est composé contrairement à la graine solide de fer liquide ainsi que d’éléments légers tels que S, O ou Si donc ces éléments légers qui vont être rejetés de la graine vont avoir tendance à monter dans le noyau externe par différence de densité et entrainent ainsi la convection.

On aura donc un mouvement de convection thermique dans le noyau supérieur, qui se transmettrait par la suite au manteau inférieur par l’intermédiaire de la couche D’’ dont on ignore encore sont rôle exact dans tout le processus.

De plus, on vient de voir que le noyau était composé de deux parties distinctes, une graine solide au centre et un noyau externe liquide. Donc à leur intersection, qui correspond en fait à la température et à la pression de fusion du fer, on va se trouver sur un point eutectique, c'est-à-dire le point limite entre un liquide et un solide diphasé. Ainsi, par cristallisation progressive du noyau externe au niveau de son interface avec la graine, on va avoir d’un côté un dégagement de chaleur vers l’extérieur pour alimenter les mouvements de convection du noyau externe, et une augmentation très progressive de la graine qui reprend du terrain sur le noyau externe avec une vitesse très faible d’environ 10-12 à 10-11 m.s-1 c'est-à-dire de 0.3 à 0.03 mm/an(source : Morphologie de l’interface grain-noyau liquide de Renaud Deguen).

La chaleur latente de cristallisation est en fait peu représentative de la chaleur interne totale de la terre mais mérite d’être mentionnée, car elle reste importante pour les mouvements de convection du noyau liquide qui ont un rôle dans le champ magnétique terrestre.

 


 

 

III.           Chaleur de désintégration (essentiel de la chaleur)

 

A.               Etudes du principe global de la radioactivité  ainsi que des principales chaines de désintégration :

 

Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (la destruction) provoque l’apparition d’un nouveau noyau, l’émission d’une particule notée α, β+ ou β-, et fréquemment l’émission d’un rayonnement électromagnétique noté γ. Certains noyaux sont stables (car ils ont une durée de vie tellement grande qu’on les considère comme tel par rapport à d’autres noyaux de durée de vie bien inférieure), et d’autres ne le sont pas. Ces derniers sont alors enclins à une désintégration plus rapide, ils vont être responsables de l’émission de chaleur.

La radioactivité α émet un noyau d’Hélium. Elle concerne principalement les noyaux lourds, et l’énergie cinétique moyenne emportée par une particule α est d’environ 5MeV.

Les radioactivités β émettent quant à elles des électrons (β-) ou des positrons (β+), et cette dernière ne concerne que les noyaux artificiels obtenus par des réactions nucléaires et qui possèdent trop de protons.

Ainsi, quelle que soit la réaction de désintégration, les noyaux obtenus sont très souvent dans des états excités, et ils vont se désexciter en émettant un rayonnement électromagnétique (particules très énergétiques appelées photons).

De plus, on appel isotope radiogénique un isotope stable formé à partir de la désintégration d’un noyau radioactif. Lors d’une datation isotopique, lorsqu’on ne connait pas la population initiale d’un noyau père radioactif, il est alors possible de passer par l’isotope radiogénique fils. C’est par exemple le cas lorsque l’on souhaite dater une roche avec la méthode Potassium-Argon (la quantité de noyaux de potassium disparaissant pendant une durée donnée va être la même que celle de noyaux radiogéniques apparaissant pendant cette même durée).

 

B.               Etudes des différences de radioactivité entre les différentes couches de la terre (suivant leur composition) :

 

Au moins 50% de l’énergie interne de la terre provient de la désintégration d’éléments radioactifs à période longue tels que l’uranium, le thorium ou le potassium. Concernant la radioactivité globale de la terre, on peut dire qu’elle représente environ 76% de l’énergie interne.

Dans le manteau, l’uranium 238 se décomposerait en plomb 206, et l’uranium 235 en plomb 207, avec des périodes respectives de 4.5Ga et 0.71Ga, ce qui représente la durée moyenne de vie d’un élément radioactif, en l’occurrence ici l’uranium 238 et 235. Quant au thorium 232, il se transformerait en plomb 208 alors que le potassium 40 devient du Ca 40.

Pour ce faire, les éléments passent par de multiples étapes de désintégration comme on peut le voir par exemple sur le schéma suivant de la désintégration de l’uranium 235 en plomb 207 :

 

(source : http://fr.wikipedia.org)

 

Un autre exemple est celui du thorium 232, on a la chaine de désintégration suivante, avec des radioactivités α et β- :

232Th -> 228Ra -> 228Ac -> 228Th -> 224Ra -> 220Rn -> 216Po -> 212Pb -> 212Bi -> 212Po -> 208Pb

Ces mêmes éléments produiraient les mêmes réactions de plus ou moins faibles importance dans la croute et le noyau terrestre, et cela explique donc le dégagement de chaleur dû à la radioactivité.

Ainsi, pour résumer on peut dire que quatre éléments principaux sont responsables du dégagement de chaleur par radioactivité à savoir l’uranium 235 et 238, le potassium 40 et le thorium 232.

 

 

 

La figure compare les périodes et les flux de chaleur dégagés des quatre éléments radioactifs à vie longue responsables de la chaleur de la Terre. Le débit de chaleur, qui est de l'ordre de quelques milliwatts par tonne pour l'uranium et le thorium, est nettement plus faible pour le potassium parce que cet élément contient très peu d'isotope radioactif (0.0117 %). Par contre le potassium est beaucoup plus abondant dans la croûte terrestre.

Puis plus le temps passe, moins il reste d’éléments radioactifs dans la terre, car ceux-ci se décomposent au fur et à mesure que la terre vieillit. Sur le schéma ci-dessous, on voit bien que par rapport à ses débuts, le nombre d’éléments responsables du dégagement de chaleur par radioactivité à diminué, et plus la durée de vie d’un élément est courte, plus celui-ci disparait rapidement : c’est le cas par exemple de l’Uranium 235 qui est aujourd’hui responsable d’une plus petite part de la chaleur dégagée par rapport à l’uranium 238, alors qu’il y a 4 Ga d’années, cela était l’inverse. En effet, la demi-vie de l’Uranium 235 n’est que de 700 Ma, alors que celle de l’uranium 238 est de 4.5 Ga, donc se dernier met plus de temps à se désintégrer.

 (source : http://www.emse.fr/~bouchardon)