Pourquoi la Terre a-t-elle un noyau liquide ? Formation du noyau terrestre

Lorsque vous déposez vos clés dans un ruisseau de lave en fusion, dites-leur au revoir parce que, eh bien, mec, elles sont tout.
-Jack Handy

Nous savons tous pourquoi : parce que les océans de la Terre flottent au-dessus des roches et de la terre qui composent la terre. Le concept de flottabilité, dans lequel des objets moins denses flottent au-dessus d’objets plus denses qui coulent en dessous, explique bien plus que les océans.

Le même principe qui explique pourquoi la glace flotte dans l'eau, un ballon d'hélium s'élève dans l'atmosphère et les roches coulent dans un lac explique pourquoi les couches de la planète Terre sont disposées ainsi.

La partie la moins dense de la Terre, l'atmosphère, flotte au-dessus océans d'eau, qui flottent au-dessus de la croûte terrestre, qui se trouve au-dessus du manteau le plus dense, qui ne s'enfonce pas dans la partie la plus dense de la Terre : le noyau.

Idéalement, l’état le plus stable de la Terre serait celui qui serait idéalement réparti en couches, comme un oignon, avec les éléments les plus denses au centre, et à mesure que vous vous déplacez vers l’extérieur, chaque couche suivante serait composée d’éléments moins denses. Et chaque tremblement de terre, en fait, déplace la planète vers cet état.

Et cela explique la structure non seulement de la Terre, mais aussi de toutes les planètes, si l'on se souvient d'où viennent ces éléments.

Lorsque l’Univers était jeune – quelques minutes seulement – ​​seuls l’hydrogène et l’hélium existaient. Des éléments de plus en plus lourds ont été créés dans les étoiles, et ce n’est que lorsque ces étoiles sont mortes que les éléments les plus lourds se sont échappés dans l’Univers, permettant ainsi à de nouvelles générations d’étoiles de se former.

Mais cette fois, un mélange de tous ces éléments - non seulement l'hydrogène et l'hélium, mais aussi le carbone, l'azote, l'oxygène, le silicium, le magnésium, le soufre, le fer et autres - forme non seulement une étoile, mais aussi un disque protoplanétaire autour de cette étoile.

La pression de l’intérieur vers l’extérieur dans une étoile en formation repousse les éléments plus légers et la gravité provoque l’effondrement des irrégularités du disque et la formation de planètes.

Au cas où système solaire quatre monde intérieur sont les planètes les plus denses du système. Mercure est constitué des éléments les plus denses qui ne pourraient pas retenir grand nombre l'hydrogène et l'hélium.

D'autres planètes, plus massives et plus éloignées du Soleil (et recevant donc moins de rayonnement), ont pu retenir davantage de ces éléments ultra-légers : c'est ainsi que se sont formées les géantes gazeuses.

Sur tous les mondes, comme sur Terre, en moyenne, les éléments les plus denses sont concentrés dans le noyau, et les éléments légers forment autour de lui des couches de moins en moins denses.

Il n'est pas surprenant que le fer, l'élément le plus stable et le plus lourd créé au cours de l'année grandes quantitésà la limite de la supernova et constitue l'élément le plus commun du noyau terrestre. Mais peut-être de manière surprenante, entre le noyau solide et le manteau solide se trouve une couche liquide de plus de 2 000 km d'épaisseur : le noyau externe de la Terre.

La Terre possède une épaisse couche liquide contenant 30 % de la masse de la planète ! Et nous avons appris son existence grâce à une méthode assez ingénieuse : grâce aux ondes sismiques provenant des tremblements de terre !

Lors des tremblements de terre, des ondes sismiques de deux types naissent : l'onde de compression principale, appelée onde P, se propageant le long d'un trajet longitudinal.

Et une deuxième onde de cisaillement, appelée onde S, semblable aux vagues à la surface de la mer.

Les stations sismiques du monde entier sont capables de capter les ondes P et S, mais les ondes S ne voyagent pas à travers le liquide, et les ondes P non seulement voyagent à travers le liquide, mais sont réfractées !

En conséquence, nous pouvons comprendre que la Terre a un noyau externe liquide, à l'extérieur duquel se trouve un manteau solide, et à l'intérieur - un noyau interne solide ! C'est pourquoi le noyau terrestre contient les éléments les plus lourds et les plus denses, et c'est ainsi que nous savons que le noyau externe est une couche liquide.

Mais pourquoi le noyau externe est-il liquide ? Comme tous les éléments, l’état du fer, qu’il soit solide, liquide, gazeux ou autre, dépend de la pression et de la température du fer.

Le fer est un élément plus complexe que celui auquel vous êtes habitué. Bien sûr, il peut avoir différentes phases solides cristallines, comme l’indique le graphique, mais les pressions ordinaires ne nous intéressent pas. Nous descendons au cœur de la Terre, où les pressions sont un million de fois supérieures au niveau de la mer. À quoi ressemble le diagramme de phase pour des pressions aussi élevées ?

La beauté de la science est que même si vous n’avez pas immédiatement la réponse à une question, il y a de fortes chances que quelqu’un ait déjà fait les bonnes recherches qui pourraient révéler la réponse ! Dans ce cas, Ahrens, Collins et Chen ont trouvé en 2001 la réponse à notre question.

Et bien que le diagramme montre des pressions gigantesques allant jusqu'à 120 GPa, il est important de se rappeler que la pression atmosphérique n'est que de 0,0001 GPa, alors que dans le noyau interne, les pressions atteignent 330-360 GPa. La ligne continue supérieure montre la limite entre le fer en fusion (en haut) et le fer solide (en bas). Avez-vous remarqué comment la ligne continue à la toute fin effectue un virage brusque vers le haut ?

Pour que le fer fonde à une pression de 330 GPa, il faut une température énorme, comparable à celle qui règne à la surface du Soleil. Les mêmes températures à des pressions plus basses maintiendront facilement le fer à l'état liquide et à des pressions plus élevées - à l'état solide. Qu’est-ce que cela signifie en termes de noyau terrestre ?

Cela signifie qu’à mesure que la Terre se refroidit, sa température interne diminue, mais la pression reste inchangée. Autrement dit, lors de la formation de la Terre, il est fort probable que tout le noyau était liquide, et à mesure qu'il refroidit, le noyau interne se développe ! Et ce faisant, comme le fer solide a une densité plus élevée que le fer liquide, la Terre se contracte lentement, ce qui entraîne des tremblements de terre !

Ainsi, le noyau terrestre est liquide car il est suffisamment chaud pour faire fondre le fer, mais uniquement dans les régions où la pression est suffisamment basse. À mesure que la Terre vieillit et se refroidit, de plus en plus de noyau devient solide, et ainsi la Terre rétrécit un peu !

Si l’on veut regarder loin dans le futur, on peut s’attendre à ce que les mêmes propriétés apparaissent que celles observées dans Mercure.

Mercure, en raison de sa petite taille, s'est déjà refroidi et s'est contracté de manière significative, et présente des fractures de plusieurs centaines de kilomètres de long qui sont apparues en raison du besoin de compression dû au refroidissement.

Alors pourquoi la Terre a-t-elle un noyau liquide ? Parce qu'il n'a pas encore refroidi. Et chaque tremblement de terre est une petite approche de la Terre vers son état final, refroidi et complètement solide. Mais ne vous inquiétez pas, bien avant ce moment, le Soleil va exploser et tous ceux que vous connaissez seront morts pendant très longtemps.

D’innombrables idées ont été exprimées sur la structure du noyau terrestre. Dmitri Ivanovitch Sokolov, géologue et académicien russe, a déclaré que les substances contenues dans la Terre sont distribuées comme des scories et du métal dans un four de fusion.

Cette comparaison figurative a été confirmée plus d'une fois. Les scientifiques ont soigneusement étudié les météorites de fer arrivant de l'espace, les considérant comme des fragments du noyau d'une planète désintégrée. Cela signifie que le noyau terrestre devrait également être constitué de fer lourd à l’état fondu.

En 1922, le géochimiste norvégien Victor Moritz Goldschmidt avance l'idée d'une stratification générale de la substance terrestre à une époque où la planète entière était à l'état liquide. Il a dérivé cela par analogie avec le processus métallurgique étudié dans les aciéries. « Au stade de la fusion liquide », a-t-il déclaré, « la substance de la Terre était divisée en trois liquides non miscibles : le silicate, le sulfure et le métallique. Avec un refroidissement supplémentaire, ces liquides ont formé les principales coquilles de la Terre : la croûte, le manteau et le noyau de fer !

Cependant, plus proche de notre époque, l’idée d’une origine « chaude » de notre planète était de plus en plus inférieure à une création « froide ». Et en 1939, Lodochnikov proposa une image différente de la formation de l’intérieur de la Terre. À cette époque, l'idée des transitions de phase de la matière était déjà connue. Lodochnikov a suggéré que les changements de phase dans la matière s'intensifient avec l'augmentation de la profondeur, ce qui entraîne la division de la matière en coquilles. Dans ce cas, le noyau ne doit pas nécessairement être en fer. Il peut s’agir de roches silicatées surconsolidées qui se trouvent dans un état « métallique ». Cette idée a été reprise et développée en 1948 par le scientifique finlandais V. Ramsey. Il s’est avéré que, bien que le noyau terrestre ait un état physique différent de celui du manteau, il n’y a aucune raison de le considérer comme composé de fer. Après tout, l’olivine surconsolidée pourrait être aussi lourde que du métal…

Ainsi, deux hypothèses mutuellement exclusives sur la composition du noyau ont émergé. L'un est développé sur la base des idées d'E. Wichert concernant un alliage fer-nickel avec de petits ajouts d'éléments légers comme matériau pour le noyau terrestre. Et le second - proposé par V.N. Lodochnikov et développé par V. Ramsey, qui affirme que la composition du noyau ne diffère pas de la composition du manteau, mais que la substance qu'il contient est dans un état métallisé particulièrement dense.

Pour décider de quel côté devait pencher la balance, des scientifiques de nombreux pays ont mené des expériences en laboratoire et ont compté et compté, comparant les résultats de leurs calculs avec ceux montrés par les études sismiques et les expériences en laboratoire.

Dans les années soixante, les experts arrivent enfin à la conclusion : l'hypothèse d'une métallisation des silicates, aux pressions et températures régnant dans le coeur, n'est pas confirmée ! De plus, les recherches menées ont prouvé de manière convaincante que le centre de notre planète devrait contenir au moins quatre-vingts pour cent des réserves totales de fer... Alors, après tout, le noyau de la Terre est-il du fer ? Du fer, mais pas tout à fait. Un métal pur ou un alliage métallique pur compressé au centre de la planète serait trop lourd pour la Terre. Par conséquent, il faut supposer que le matériau du noyau externe est constitué de composés de fer avec des éléments plus légers - oxygène, aluminium, silicium ou soufre, qui sont les plus courants dans la croûte terrestre. Mais lesquels en particulier ? Ceci est inconnu.

Le scientifique russe Oleg Georgievich Sorokhtin a donc entrepris une nouvelle étude. Essayons de suivre le déroulement de son raisonnement sous une forme simplifiée. S'appuyant sur les dernières avancées de la science géologique, le scientifique soviétique conclut qu'au cours de la première période de formation, la Terre était très probablement plus ou moins homogène. Toute sa substance était répartie à peu près également dans tout le volume.

Cependant, au fil du temps, des éléments plus lourds, comme le fer, ont commencé à s'enfoncer, pour ainsi dire, « s'enfonçant » dans le manteau, s'enfonçant de plus en plus profondément vers le centre de la planète. Si tel est le cas, alors, en comparant les roches jeunes et vieilles, on peut s'attendre à ce que les roches jeunes contiennent moins d'éléments lourds, comme le fer, qui est répandu dans la substance terrestre.

L'étude des laves anciennes a confirmé cette hypothèse. Cependant, le noyau terrestre ne peut pas être constitué uniquement de fer. C'est trop léger pour ça.

Quel était le compagnon du fer sur son chemin vers le centre ? Le scientifique a essayé de nombreux éléments. Mais certains ne se sont pas bien dissous dans la fonte, tandis que d'autres se sont révélés incompatibles. Et puis Sorokhtin a eu une pensée : l'élément le plus courant - l'oxygène - n'était-il pas un compagnon du fer ?

Certes, les calculs ont montré que le composé de fer et d'oxygène - l'oxyde de fer - semble trop léger pour le noyau. Mais dans des conditions de compression et d’échauffement en profondeur, l’oxyde de fer doit également subir des changements de phase. Dans les conditions qui existent à proximité du centre de la Terre, seuls deux atomes de fer sont capables de contenir un atome d'oxygène. Cela signifie que la densité de l'oxyde résultant deviendra plus grande...

Et encore des calculs, des calculs. Mais quelle satisfaction lorsque le résultat obtenu montre que la densité et la masse du noyau terrestre, construit à partir d'oxyde de fer, ayant subi des changements de phase, donne exactement la valeur recherchée. modèle moderne noyaux!

Le voici - un modèle moderne et peut-être le plus plausible de notre planète dans toute l'histoire de sa recherche. "Le noyau externe de la Terre est constitué d'oxyde de la phase de fer monovalente Fe2O, et le noyau interne est constitué de fer métallique ou d'un alliage de fer et de nickel", écrit Oleg Georgievich Sorokhtin dans son livre. "La couche de transition F entre les noyaux interne et externe peut être considérée comme constituée de sulfure de fer - troillite FeS."

De nombreux géologues et géophysiciens, océanologues et sismologues exceptionnels - représentants de toutes les branches scientifiques qui étudient la planète - participent à la création de l'hypothèse moderne sur la libération du noyau de la substance primaire de la Terre. Les processus de développement tectonique de la Terre, selon les scientifiques, se poursuivront dans les profondeurs pendant assez longtemps, au moins notre planète a encore quelques milliards d'années devant elle. Ce n’est qu’après cette période incommensurable que la Terre se refroidira et se transformera en un corps cosmique mort. Mais que va-t-il se passer à ce moment-là ?..

Quel âge a l’humanité ? Un million, deux, enfin, deux et demi. Et pendant cette période, les gens non seulement se sont levés à quatre pattes, ont apprivoisé le feu et ont compris comment extraire l'énergie d'un atome, mais ils ont également envoyé des gens dans l'espace, des automates sur d'autres planètes du système solaire et maîtrisé l'espace proche pour des besoins techniques.

L’exploration puis l’exploitation des entrailles profondes de notre propre planète est un programme qui frappe déjà à la porte du progrès scientifique.

Pourquoi le noyau terrestre ne s'est-il pas refroidi et est-il resté chauffé à une température d'environ 6 000°C pendant 4,5 milliards d'années ? La question est extrêmement complexe, à laquelle d’ailleurs la science ne peut pas donner une réponse précise et intelligible à 100 %. Il existe cependant des raisons objectives à cela.

Secret excessif

Le mystère excessif, pour ainsi dire, du noyau terrestre est associé à deux facteurs. Premièrement, personne ne sait avec certitude comment, quand et dans quelles circonstances elle s'est formée - cela s'est produit lors de la formation de la proto-Terre ou déjà à premiers stades l'existence d'une planète formée est un grand mystère. Deuxièmement, il est absolument impossible d’obtenir des échantillons du noyau terrestre – personne ne sait avec certitude de quoi il s’agit. De plus, toutes les données que nous connaissons sur le noyau sont collectées à l'aide de méthodes et de modèles indirects.

Pourquoi le noyau terrestre reste-t-il chaud ?

Pour essayer de comprendre pourquoi le noyau terrestre ne se refroidit pas pendant si longtemps, vous devez d'abord comprendre ce qui a provoqué son échauffement initial. L'intérieur de notre planète, comme celui de toute autre planète, est hétérogène ; il est constitué de couches de densités différentes relativement clairement délimitées. Mais cela n’a pas toujours été le cas : les éléments lourds descendaient lentement, formant le noyau interne et externe, tandis que les éléments légers étaient poussés vers le haut, formant le manteau et la croûte terrestre. Ce processus se déroule extrêmement lentement et s'accompagne d'un dégagement de chaleur. Cependant, ce n’était pas la principale raison du chauffage. La masse entière de la Terre puissance énorme appuie sur son centre, produisant une pression phénoménale d'environ 360 GPa (3,7 millions d'atmosphères), à la suite de laquelle les éléments radioactifs à vie longue contenus dans le noyau de fer-silicium-nickel ont commencé à se désintégrer, ce qui s'est accompagné d'émissions colossales de chaleur.

Une source supplémentaire de chauffage est l'énergie cinétique générée par le frottement entre différentes couches (chaque couche tourne indépendamment de l'autre) : le noyau interne avec l'extérieur et l'extérieur avec le manteau.

L'intérieur de la planète (les proportions ne sont pas respectées). La friction entre les trois couches internes sert de source de chauffage supplémentaire.

Sur la base de ce qui précède, nous pouvons conclure que la Terre et en particulier ses entrailles sont une machine autosuffisante qui se réchauffe. Mais cela ne peut naturellement pas durer éternellement : les réserves d’éléments radioactifs à l’intérieur du cœur disparaissent peu à peu et il n’y aura plus rien pour maintenir la température.

Il fait froid !

En fait, le processus de refroidissement a déjà commencé il y a très longtemps, mais il se déroule extrêmement lentement - une fraction de degré par siècle. Selon des estimations approximatives, au moins 1 milliard d'années s'écouleront avant que le noyau ne refroidisse complètement et que les réactions chimiques et autres cessent.

Réponse courte : La terre, et en particulier son noyau, est une machine autosuffisante qui se chauffe. La masse entière de la planète appuie sur son centre, produisant une pression phénoménale et déclenchant ainsi le processus de désintégration des éléments radioactifs, à la suite duquel de la chaleur est libérée.

Notre planète Terre a une structure en couches et se compose de trois parties principales : la croûte terrestre, manteau et noyau. Quel est le centre de la Terre ? Cœur. La profondeur du noyau est de 2 900 km et son diamètre est d'environ 3 500 km. À l’intérieur, il y a une pression monstrueuse de 3 millions d’atmosphères et une température incroyablement élevée – 5 000°C. Il a fallu plusieurs siècles aux scientifiques pour découvrir ce qu’il y avait au centre de la Terre. Même technologie moderne ne pouvait pas pénétrer plus profondément que douze mille kilomètres. Le forage le plus profond, situé sur la péninsule de Kola, a une profondeur de 12 262 mètres. C'est loin du centre de la Terre.

Histoire de la découverte du noyau terrestre

L'un des premiers à deviner la présence d'un noyau au centre de la planète fut le physicien et chimiste anglais Henry Cavendish à la fin du XVIIIe siècle. À l'aide d'expériences physiques, il a calculé la masse de la Terre et, en fonction de sa taille, a déterminé la densité moyenne de la substance de notre planète - 5,5 g/cm3. Densité de connu rochers et il y avait environ deux fois moins de minéraux dans la croûte terrestre. Cela a conduit à l'hypothèse logique qu'au centre de la Terre se trouve une région de matière plus dense : le noyau.

En 1897, le sismologue allemand E. Wichert, étudiant le passage des ondes sismologiques à l'intérieur de la Terre, put confirmer l'hypothèse de la présence d'un noyau. Et en 1910, le géophysicien américain B. Gutenberg détermina la profondeur de son emplacement. Par la suite, des hypothèses sur le processus de formation du noyau sont nées. On suppose qu'elle s'est formée en raison de la sédimentation d'éléments plus lourds vers le centre et qu'au départ, la substance de la planète était homogène (gazeuse).

De quoi est constitué le noyau ?

Il est assez difficile d'étudier une substance dont un échantillon ne peut être obtenu afin d'étudier ses paramètres physiques et chimiques. Les scientifiques doivent simplement supposer la présence de certaines propriétés, ainsi que la structure et la composition du noyau, sur la base de preuves indirectes. L'étude de la propagation des ondes sismiques s'est avérée particulièrement utile pour étudier la structure interne de la Terre. Des sismographes situés en de nombreux points de la surface de la planète enregistrent la vitesse et les types de passages d'ondes sismiques résultant des secousses de la croûte terrestre. Toutes ces données permettent de juger structure interne Terre, y compris le noyau.

À l'heure actuelle, les scientifiques supposent que la partie centrale de la planète est hétérogène. Qu'y a-t-il au centre de la Terre ? La partie adjacente au manteau est le noyau liquide, constitué de matière fondue. Apparemment, il contient un mélange de fer et de nickel. Les scientifiques ont été amenés à cette idée par une étude des météorites de fer, qui sont des morceaux de noyaux d'astéroïdes. D'autre part, les alliages fer-nickel résultants ont une densité supérieure à la densité de noyau attendue. Par conséquent, de nombreux scientifiques sont enclins à supposer qu’au centre de la Terre, le noyau, se trouvent des particules plus légères. éléments chimiques.

Les géophysiciens expliquent l'existence de la planète par la présence d'un noyau liquide et la rotation de la planète autour de son propre axe. champ magnétique. On sait qu'un champ électromagnétique autour d'un conducteur apparaît lorsque le courant circule. La couche fondue adjacente au manteau sert de conducteur de courant géant.

La partie interne du noyau, malgré une température de plusieurs milliers de degrés, est une substance solide. En effet, la pression au centre de la planète est si élevée que les métaux chauds deviennent solides. Certains scientifiques suggèrent que le noyau solide est constitué d'hydrogène qui, sous l'influence d'une pression incroyable et d'une température énorme, devient semblable à du métal. Ainsi, même les géophysiciens ne savent toujours pas avec certitude quel est le centre de la Terre. Mais si l’on considère la question d’un point de vue mathématique, on peut dire que le centre de la Terre est à environ 6 378 km. de la surface de la planète.