Karine PACAUD

PROCESSUS NATURELS

Question :          Le fonctionnement du noyau terrestre

Le fonctionnement du noyau terrestre

 

Suite aux études des ondes sismiques, nous savons que le noyau terrestre est composé de deux couches principales :

Les différentes couches

le noyau externe liquide (entre 2 900 et 5 100 km en profondeur) et le noyau interne, dénommé graine qui est supposé solide avec des caractéristiques de matériau granulaire. Le noyau liquide, de nature métallique, est un conducteur en convection « rapide » en raison de sa faible viscosité, qui joue un rôle essentiel dans le champ magnétique terrestre. En effet, compte tenu de la valeur du gradient de température terrestre, aucun champ rémanent ne peut donc subsister au-delà de 25 à 30 Km de profondeur. Par contre, les roches de faible profondeur peuvent conserver un champ magnétique, mais elles sont régulièrement déplacées par la tectonique terrestre. Donc, à supposer qu’elles aient fossilisé un champ initial, il n’y a aucune raison que ce champ soit resté organisé en un dipôle d’axe proche de l’axe de rotation de la Terre comme il l’est de nos jours. Le champ terrestre est donc actif et lié à des courants électriques profonds. Il existe nécessairement une géodynamo magnétohydrodynamique au cœur de la planète. Le noyau représente à cet effet “LE ” candidat idéal : le noyau est un conducteur animé de courants de convection ; pour que cela fonctionne il faut qu’il ait existé un champ initial… le champ solaire.

 

Les fonds océaniques, dans lesquels le champ du dipôle terrestre à été enregistré dans les basaltes lors de leur cristallisation et conservé symétriquement de part et d’autre du rift au cours de plus de 150 millions d’années, nous renseignent par cet enregistrement continu sur le mode de fonctionnement de la dynamo.

sea floor spreading

http://www.geos.mn/upload/PhysicalGeology/Continental%20Drift%20and%20Plate%20Tectonics.htm

Les basaltes à polarité NS, comme l’actuelle, et sont représentés par des bandes de couleur, en fonction de leur âge. L’ensemble des basaltes à polarité SN, inverse de l’actuelle, sont figurés uniformément en blanc, sans indication sur leur âge

Dans la croûte continentale, parfois âgée de plusieurs milliards d’années (les sédiments les plus ancien sont datés de 3.8 Ga.), le magnétisme terrestre est aussi fossilisé, soit dans les roches magmatiques lors de leur cristallisation, soit dans les sédiments lors de leur dépôt, les minéraux magnétique ayant alors tendance à s’orienter en fonction du champ existant à cet instant. Le champ magnétique terrestre est donc pérenne, son intensité varie (de façon sinusoïdale aproximative) et sa polarité s’inverse, comme celle du champ solaire, irrégulièrement (la durée d’une polarité terrestre est de l’ordre de 105 ans à 5.106 ans, elle est de 9 à 13 ans pour le Soleil) et rapidement par rapport à la durée d’une polarité (quelques millier d’années). Parfois le processus d’inversion semble avoir avorté et le champ s’est rétabli après quelques 102 à 103 ans de début de polarité inverse.

http://solaire.obspm.fr/images/documentation/InversionsBsolaire.pdf.

Qu’en est-il de la Terre actuellement ? Les laves du Japon nous montrent que depuis 500 après JC, le champ est en décroissance régulière, hormis un léger accroissement vers 1400 qui pourrait être lié à l’activité non dipolaire (voir plus loin) du champ terrestre. Une telle diminution globale est, pour les auteurs, en plein accord avec les modèles d’inversion du champ terrestre.

Full-size image (32 K)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X03001237

Le champ magnétique de la Terre champs est causé par les courants électriques créés par le mouvement du noyau liquide à composition essentiellement Fe-Ni. On compare souvent son fonctionnement à une dynamo auto-entretenue. Pour cause, le champ magnétique ainsi créé va, à son tour, engendrer des courants électriques qui vont être à l’origine du champ. La dynamo-disque de Bullard en explique de manière simplifiée le principe de fonctionnement.

Dynamo-disk 

disque dynamo de Bullard

Un disque conducteur tournant dans un champ magnétique initial produit une force électromotrice; les charges, stockées à la périphérie du disque sont évacuées par une spire coaxiale qui produit alors un champ qui renforce le champ initial. La résistance du circuit et le sens des courants induits (Lenz 1833) imposent une limite à l'accroissement du champ, mais la dynamo produira un champ tant que le conducteur sera en rotation.

Si une dynamo auto-entretenue comme la dynamo de Bullard peut maintenir un champ d'une polarité donnée, elle peut fonctionner aussi avec la polarité inverse. La dynamo simple-disque de Bullard présente un fonctionnement constant et stable. Par contre une dynamo à double disque, comme celle de Rikitake montre des oscillations du champ et inversions spontanées des pôles.

Rikitake     Var-Cour Rikitake

magnéto à double disque de Rikitake (1958)                      - variations du courant avec le temps

Ce phénomène d’inversion des pôles a été clairement mis en évidence sur terre avec l’exploration des océans dans les années 1950 et 60 qui a montré que le plancher océanique est constitué d’une succession de bandes parallèles de polarité alternée, N-S puis S-N, etc. L’inversion des pôles magnétiques terrestre n’a rien de régulier. On a pu mettre en évidence des durées de polarité très courtes de l’ordre de 100 000 ans et à l’opposé des durées très longues entre deux polarités, de plusieurs dizaines de millions d’années.

On sait maintenant que ces premiers modèles étaient erronés et qu’il faut considérer que cette sphère convective est en rotation, puisque dans une sphère fluide conductrice mais non convective en rotation et soumise à un champ initial, il ne se passe rien, car la distribution de la conductivité est alors homogène. Par contre, le cas d'une sphère convective introduit une hétérogénéité. Le conducteur y décrira des boucles simples, de la forme des cellules de convection. A cette condition, il suffit que la vitesse du fluide soit suffisante (x10 km/an dans le noyau) pour que la force de Coriolis puisse enrouler le conducteur, qui décrira alors des spires tout en parcourant la boucle convective, dessinant un tore. Depuis les travaux de F.H. Busse (1970) sur les systèmes en rotation rapide, on imagine que la convection dans le noyau se fait au moyen de cellules parallèles à l’axe de rotation.

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modèle de convection dans le noyau selon Busse 1970

http://iopscience.iop.org/1367-2630/9/8/306/fulltext

La vitesse de rotation étant maximum à l’équateur, ces cellules ne sont pas des cylindres mais des lobes nord-sud enroulés par la rotation. Le nombre des lobes est proportionnel à la vitesse de rotation de la sphère.

Cellules de convection de Busse dans un modèle actuel de sphère en rotation

http://www.gla.ac.uk/schools/mathematicsstatistics/research/maths/fluids-mhd/#

Le schéma de la convection de Busse montre, au sein de la cellule, les lignes de déplacement du fluide. Le champ magnétique étant gelé (piégé) dans le fer liquide du noyau, il est entrainé par la convection. La figure montre comment les lignes de force d'un champ initial (poloïdal) sont enroulées, donnant naissance à un champ toroïdal.

Naissance d'un champ toroïdal dans une sphère hétérogène en rotation

Dans le noyau terrestre, le champ dipolaire (90% du champ) résulterait de ce champ toroïdal, lié à la rotation de la Terre. Les 10% multipolaires du champ résulteraient en grande partie de mouvements cycloniques variés dans le noyau.

On a longtemps pensé que la présence de la graine solide reconnue au cœur du noyau liquide par le PREM était indispensable au fonctionnement d’une telle dynamo. Cette contrainte reposait sur l’idée que la convection du noyau était engendrée essentiellement par le fractionnement des éléments lourds (Fe, Ni) dans le processus de cristallisation de la graine au dépend du noyau liquide. Le liquide situé au dessus de la surface de la graine « fraîchement » cristallisée se trouve ainsi enrichi en éléments légers (Si, O, S, H) par rapport au reste du liquide et tend à convecter spontanément. On considère maintenant au contraire, depuis Sakuraba & Kono, 1999, que la convection purement thermique est un moteur possible pour notre dynamo, et qu’il a fort bien pu présider seul à la convection du noyau terrestre entièrement liquide durant les premiers âges de la Terre.

L’âge magnétique connu de la Terre (environ 3.8 Ga.) n’est donc plus l’âge le plus ancien admissible pour la graine, et les modèles les plus récents de refroidissement du manteau et du noyau suggèrent au contraire que la graine à guère plus de 2Ga.

Le champs magnétique va au-delà de la Terre (environ une dizaine de milliers de km dans l’espace) et engendre une zone d’influence torique autour de celle-ci. C’est la magnétosphère. Elle est déformée de façon permanente et considérable par le vent solaire. Elle s’étend à environ 65 000 Km en direction du soleil, soit environ 10 rayons terrestres seulement, mais à plus de 1000 rayons terrestres du côté nuit !

 

Forme de la magnétosphère

 

De plus, les interactions entre le noyau et le manteau pourrait nous éclairer davantage sur cette géodynamo. Etudions de plus près le fonctionnement de la graine solide qui pourrait nous éclairer un peu. A la fin des années 90, W.J. Su et A.M. Dziewonski ont découvert en analysant précisément la distribution spatiale des vitesses des ondes sismiques que la graine présente un axe d'anisotropie incliné d'une dizaine de degrés par rapport à l'axe de rotation de la Terre.

 

Vitesses de propagation dans la graine :  zones lentes en rouge ; zones rapides en bleu. L'axe d'anisotropie de la graine (point rouge) n'est pas confondu avec l'axe de rotation du globe.

Les ondes P qui voyagent dans la graine entre ses pôles seraient (même après correction de l’aplatissement terrestre) plus rapides de 5 secondes que celles qui voyagent dans son plan équatorial, ce que l'on pourrait peut-être attribuer à deux causes possibles:

1.       soit une convection axisymétrique provoquant une orientation des cristaux de fer ;

2.       soit un dépôt orienté de ces mêmes cristaux par le champ magnétique du noyau.

Dans les deux cas, l’anisotropie observée résulterait du mode de cristallisation du fer sous haute pression, stable dans le système hexagonal compact (HCP, Fig. 8), axisymétrique. L'orientation préférentielle des cristaux peut engendrer des variations fortes des propriétés élastiques selon les directions.

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Système HCP

Pour S.I. Karato (1999), cette anisotropie serait provoquée par les forces de Lorenz liées au champ toroïdal qui, en comprimant de plus en plus la graine (en direction de l’axe de rotation) depuis l’équateur (où la force est nulle puisque les lignes du champ changent de sens) vers le pôle de la graine (où les forces de Lorenz deviennent maximum).

En observant le comportement de rais sismiques répétés au cours des 30 dernières années, couplant une même région sismiquement active avec un ou des observatoires de mesure, X. Song et P. Richards  ont mis en évidence une évolution temporelle de l’axe d'anisotropie de la graine, traduisant une rotation de la graine vers l’ouest de 1° par an. Le mécanisme et l’ampleur de cette super-rotation de la graine par rapport au manteau, et son existence même, sont encore largement débattus.

Pour Kenneth Creager, cette super rotation serait due au mécanisme complexe de transfert d’énergie du noyau vers le manteau, dont le modèle très fertile de géodynamo de Glatzmaier et Roberts donne l’image suivante : le champ magnétique généré dans la Terre génère à son tour un couple de forces qui s’applique au noyau, imposant à la graine solide et au noyau liquide sus-jacent une co-rotation vers l’ouest par rapport à la surface.

Pour Glatzmaier et Roberts ce mécanisme est l’analogue d’un moteur synchrone, pour lequel le champ, transporté vers l’ouest par le fluide du noyau agit comme le champ tournant du stator, alors que la graine agit comme le rotor d’un tel moteur. Dans ces simulations, la rotation différentielle engendrée est de 2°/an à 3°/an, ce qui est en accord avec les observations sismologiques.

Il convient cependant de rester critique, d'abord parce que les données collectées sont limitées dans le temps et donc ne couvrent qu'une fraction très petite de révolution de la graine, et ensuite parce que les données les plus anciennes (années 60) sont à la fois moins précises et moins nombreuses. Ainsi, l'apparente inclinaison de l'axe d'anisotropie pourrait provenir de la distribution irrégulière des stations sismologiques et des séismes observés (principalement issus de rides océaniques et de zones de subductions). En outre, selon S. Tanaka et H. Hamaguchi (1997) il est possible que la graine ne soit pas de symétrie cylindrique. De plus, comme le souligne Annie Souriaux, la rotation différentielle de la graine pose un problème théorique: la forme de la graine doit être modelée par le champ de gravité du manteau. Celui-ci étant hétérogène il génère nécessairement des creux et des bosses à la surface de la graine. Si celle-ci est bien en super rotation par rapport au manteau, leur couplage gravifique doit engendrer la disparition et la recréation simultanée de ces creux et bosses (de quelques x100m tout de même)… En d’autres termes, si la graine tourne plus vite que le manteau, elle doit adapter sa forme au champ de gravité. Il faut donc que les "bosses" de la graine fondent pour se recristalliser ailleurs, ou  se déforment par viscosité. Pour Laske et Masters (1999), cette super rotation n’existerait pas, et ne serait qu’un artefact lié justement aux hétérogénéités de la graine.