Jusqu’au cœur de la Terre

Avec cette œuvre nous allons commencer un «voyage » en partant du centre de la terre jusqu’à sa surface. Depuis le début du XXème siècle on découvre la structure interne de notre planète grâce à la sismologie, mais ce n’est que dans les années 1960 que la rigidité de la graine est confirmée. En mesurant les temps d’arrivée des ondes en divers points de la planète, on déduit leur vitesse de propagation qui dépend à la fois de la composition chimique et de la structure minéralogique ainsi que de la température et de la pression du milieu traversé.

Au centre de l’œuvre est représentée la graine : c’est un agrégat de gros cristaux anisotropes, dans lesquels la vitesse des ondes sismiques dépend de la direction de propagation. Schéma page 11 : Dans les couches profondes les cristaux « pointent » tous dans la même direction, ainsi la graine reflète leur anisotropie : sur l’œuvre les ondes nord-sud sont indiquées en colori jaune et les ondes ouest-est en colori bleu. Page 15 : Ces ondes sont fortement atténuées par des objets diffractants correspondant à des hétérogénéités d’une taille comprise entre 500 mètres et 10 kilomètres, on les associe naturellement à des cristaux de fer. Mais bien des questions demeurent sur leur nature physique : composition chimique, changement de phase du fer, poches de fluide à l’intérieur de la graine ?

Nous arrivons maintenant au noyau externe. Un article du CNRS découvert sur internet m’a guidée : à la frontière noyau-manteau arrivent des plaques tectoniques issues de la subduction créant ainsi des régions froides sous l’Amérique et sous l’Asie. Sur l’œuvre on aperçoit deux grands panaches marrons qui plongent jusqu’à la surface de la graine, transportant du courant plus froid symbolisé par des flèches bleues. « Les scientifiques ont ainsi vu à la surface du noyau un grand cyclone de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre à l’aplomb de l’Asie , constituant la partie visible d’une grande colonne plongeant profondément dans le noyau ». On aperçoit également des courants chauds qui s’écoulent en sens inverse des panaches froids, et qui montent en flèches jaunes et orangé à la surface du manteau externe.

Toujours dans le noyau externe nous observons maintenant les courants qui s’élèvent à partir de la base en longs panaches radiaux représentés en coloris gris/bleu et marron. Grâce à un article sur internet de Dossier pour la Science », nous apprenons qu’une équipe japonaise a utilisé « un fluide numérique » de faible viscosité et a ainsi mis en évidence des mouvements inattendus au sein du noyau terrestre. La viscosité du noyau est approximativement égale à celle de l’eau. Les chercheurs japonais ont tout de même examiné ce qui se passe quand on baisse la viscosité du fluide jusqu’aux limites autorisées par les ordinateurs actuels. Et là surprise, les colonnes convectives disparaissent et des panaches radiaux partiraient du centre avant d’y retomber, bloqués par de courants longitudinaux qui feraient le tour du noyau dans le sens inverse de sa rotation. Les études à venir nous réservent probablement d’autres rebondissements.

Le couche D » : nous voici à 2900 kilomètres sous nos pieds à la couche D » en contact avec le noyau. A une profondeur variant entre 150 et 300 kilomètres au dessus du noyau, cette zone est le point d’arrivée des plaques océaniques qui ont coulé après leur subduction et elle est aussi la source des panaches mantelliques à l’origine des points chauds. A certains endroits deux discontinuités (vitesse des ondes sismiques) successives correspondent à une double transition de phase du minéral : pérovskite et postpérovskite.

Nous arrivons au manteau terrestre (p 32), mais auparavant nous constatons avec le gradient thermique que la terre évacue un flux de chaleur, qui ramené à la surface du noyau correspond environ à 100 milliwatts par mètre carré. Cela implique que le noyau s’est refroidi d’environ 1000 degrés depuis sa formation.

Le manteau terrestre : page 33 nous allons découvrir des continents cachés où « crypto continents ».

Page 34 : « des montagnes à l’envers dans un océan de fer liquide ? » Page 35 : deux scénarios sont envisagés pour la formation des crypto-continents :

1°) Sous la surface de la terre la croûte océanique et une partie du manteau appauvrie par la cristallisation du magma s’enfoncent et retournent dans le manteau par subduction. Elles coulent jusqu’au plus profond du manteau et formeraient ainsi les crypto-continents.

2°) Dans le second scénario la formation des crypto-continents résulte de la cristallisation du manteau qui abritait un océan de magma. Le refroidissement entraîne la solidification progressive de la Terre, les cristaux de fer s’accumulent alors sous les panaches chauds montants pour former les crypto-continents. Les crypto-volcans seraient aussi les vestiges de l’océan de magma profond primordial. Ces deux scénarios peuvent également se compléter l’un et l’autre.

Voyons maintenant quelques relevés de température : à une profondeur de 30 à 40 kilomètres, la température s’élève de 500 à 600° C, à 400 kilomètres elle est d’environ 1400°C, à 670 kilomètres l’olivine se transforme en pérowskite à 1550°C.

Page 46 : panaches chauds mythe ou réalité ? La Terre constitue une énorme machine thermique qui évacue lentement sa chaleur vers l’extérieur, principalement grâce à la convection thermique alors que dans un corps opaque et non déformable la chaleur se transmet par conduction.

De la matière chaude provenant de la frontière noyau-manteau à 2900 kilomètres s’élèverait ainsi à travers le manteau donnant naissance aux volcans de points chauds. Les panaches mantelliques seraient ancrés dans une région profonde du manteau où les mouvements sont beaucoup plus lents que ceux des plaques, en réalité les points chauds se déplacent à des vitesses de l’ordre de un à deux centimètres par an alors que les vitesses des plaques sont de l’ordre d’une dizaine de centimètres par an. Page 50 : les points chauds dûs à des panaches profonds expliqueraient ainsi l’ouverture de nouvelles dorsales. Il est donc vraisemblable que l’arrivée tumultueuse des panaches en surface ait entraîné, il y a 200 millions d’années, la dislocation de la Pangée en plusieurs continents. Page 51 : certains panaches naissent peut-être à des profondeurs beaucoup moins importantes (200 kilomètres), celui de l’Islande exhibe des vitesses lentes (donc de la matière chaude) jusqu’à 700 kilomètres de profondeur.

Page 49 : nous arrivons à la surface de la terre divisée en plaques rigides se déplaçant les unes par rapport aux autres, à leur frontière règne une intense activité sismique et volcanique. Les dorsales sont les frontières où les plaques se séparent, les zones de subduction sont celles où elles entrent en collision. Une dorsale est une étroite chaîne de montagnes, les dorsales océaniques sont situées vers 2000 mètres de profondeur.

Nous voici à la surface de la Terre, nous nous tournons vers l’atmosphère. J’ouvre le livre « Comprendre et enseigner la Planète Terre » page 16 : en gris avec de petits nuages blancs est symbolisée la circulation troposphérique ou de basse altitude. Elle est découpée en trois cellules pour chaque hémisphère : les cellules équatoriales de Hadley, les cellules de Ferrel et les cellules polaires. Elles ont été volontairement agrandies, car si elles étaient représentées à l’échelle, elles ne s’élèveraient qu’à cinq millimètres environ au dessus de la surface terrestre.

Page 16 : l’air ascendant à l’équateur et aux latitudes d’environ 60°N et S génère des basses pressions tandis que l’air descendant aux latitudes d’environ 30°N et S et aux pôles correspond aux zones de hautes pressions. Dans les régions équatoriales l’air échauffé au contact des eaux océaniques s’élève rapidement, les vents verticaux sont puissants, les vents à composante horizontale sont faibles ou absents. Les régions de plus haute latitude sont caractérisées par des zones à forts contrastes thermiques et hydriques avec des conflits entre de l’air d’origine polaire et de l’air d’origine tropicale.

Science et Vie n° 1098 de mars 2009 page 92 : au dessus de la circulation atmosphérique de gigantesques éclairs appelés sylphes rouges (en anglais : red sprites) dont les ramifications atteignent jusqu’à 90 kilomètres d’altitude, illuminent toutes les vingt secondes en moyenne un point de la haute atmosphère terrestre, à l’aplomb d’orages géants. Longtemps classés dans le dossier « ovnis et hallucinations », ce n’est qu’en 1989 que ces phénomènes lumineux vont devenir une réalité scientifiques. Une caméra ultra-sensible révèle deux gigantesques piliers de lumière : on vient de découvrir les premiers « reds sprites ».

Page 94 : tout commence par un nuage d’orage le fameux cumulonimbus : la vapeur d’eau se condense en altitude, des gouttes de charge négative tombent vers la base du nuage alors que les cristaux de charge positive sont soulevés jusqu’au sommet. Un éclair se produit ensuite entre le haut du nuage (+) et la Terre (-). Le cumulonimbus perd sa charge positive, le centre du nuage reste, quant à lui, fortement chargé négativement. La charge négative du nuage forme un champ électrique avec l’ionosphère de charge positive. Quand celui-ci atteint une certaine valeur, il se produit une décharge électrique qui donne des particules ionisées accélérées vers le bas le long des lignes de champ. Par collision, elles ionisent les molécules d’azote qui frappées par les ions et les électrons émettent de la lumière rouge.

Sur l’œuvre on aperçoit les « reds sprites » en blanc et rouge au dessus de la circulation atmosphérique. Des alignements de petits électrons en bleu foncé arrivent au dessus des nuages et frappent les molécules d’azote en rouge. En allant au bord de l’œuvre sont représentées de nombreuses particules provenant de l’ionosphère, accélérées par les petites flèches jaunes : hélium (deux billes rouges et deux billes bleues ou deux billes rouges et deux billes jaunes) diazote (deux billes rouges), ion azote (une bille rouge).

Page 97 : la recherche se poursuit car on sait que l’un des paramètre déterminant pour l’apparition d’un sprite est une altitude élevée : des ions d’origine cosmique à l’énergie très élevée déclencheraient un flux d’électrons entre le sommet du nuage d’orage et l’ionosphère, amorçant ainsi le sprite.

Ainsi la vie de notre planète que nous avons pénétré jusqu’à son cœur est aussi intimement liée à son atmosphère.