En appliquant de nouvelles données et les supercalculateurs de Princeton à la question classique de ce qui se cache sous nos pieds, La sismologue de Princeton Jessica Irving et une équipe internationale de collègues ont développé un nouveau modèle pour le noyau externe de la Terre, une région de fer liquide au plus profond de la Terre.

Le noyau externe est en constante rotation, maintenir le champ magnétique de la planète et fournir de la chaleur au manteau. "La compréhension du noyau externe est cruciale pour comprendre l'histoire du champ magnétique, " dit Irving, professeur adjoint de géosciences. Le travail de son équipe paraît aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques .

"Le modèle que nous avons produit, EPOC (Elastic Parameters of the Outer Core) sera le modèle d'arrière-plan, la seule chose qui sous-tend tout le reste, " a déclaré Irving. Les chercheurs décrivent l'EPOC comme une mise à jour du noyau externe du modèle de référence de la Terre préliminaire (PREM) existant, un modèle de la variation des propriétés fondamentales de la Terre avec la profondeur, qui a été développé il y a près de 40 ans.

Les données clés de la recherche provenaient des « modes normaux, " qui sont des ondes stationnaires mesurables après les plus gros séismes, généralement une magnitude de 7,5 ou plus. Contrairement aux ondes corporelles et aux ondes de surface que la plupart des sismologues étudient, les modes normaux sont "la vibration de la Terre entière à la fois, ce qui est une chose incroyable à laquelle penser, " dit Irving. " On pourrait dire que la Terre " sonne comme une cloche, ' à des fréquences caractéristiques."

Le nouveau modèle, EPOC, a été envisagé pour la première fois lors d'un atelier scientifique d'été de quatre semaines où Irving était hébergé avec ses collègues sismologues Sanne Cottaar, à l'Université de Cambridge, et Vedran Leki ?, à l'Université du Maryland-College Park.

« PREM est un vénérable, très simple, modèle très apprécié, mais il ne peut représenter aucune structure à petite échelle, " Irving a dit. " Nous avons pensé, 'Pouvons-nous faire un modèle simple, avec encore moins de paramètres que PREM, ça fait aussi bien l'affaire ? Il s'est avéré que nous pouvions créer un modèle qui fait beaucoup mieux le travail."

Pour un, EPOC réduit le besoin d'une "petite couche compliquée" à la frontière entre le noyau et le manteau, elle a dit. Au cours des dernières décennies, les chercheurs avaient trouvé des écarts entre la vitesse des ondes corporelles prédite par PREM et les données qu'ils trouvaient, surtout au sommet du noyau, et certains avaient soutenu qu'il devait y avoir une couche anormalement lente cachée là-bas. Ils ont débattu de son épaisseur – les estimations vont de 50 à 300 milles – et exactement de quoi il doit être composé.

Le modèle de son équipe n'offre pas plus de spécificités que PREM, Irving a dit, "mais nous suggérons que parce que EPOC correspond mieux aux données, peut-être que vous n'avez pas besoin de cette petite couche." Et en plus, il fournit des informations sur les propriétés matérielles du noyau externe.

Le noyau externe est d'une importance vitale pour l'histoire thermique de la planète et son champ magnétique, dit Irving, mais "ce n'est pas tangible. Nous ne pouvons pas vous montrer une roche du noyau externe. Mais en même temps, c'est une partie tellement énorme de notre planète. Le noyau contient environ 30% de la masse de la planète. La croûte est insignifiante en comparaison. Il y a tellement de choses que nous ne comprenons pas sur la terre profonde et ce ne sont même pas les propriétés compliquées. Nous recherchons simplement les propriétés en vrac qui varient très lentement."

Pour créer leur modèle, Irving et ses collègues sismologues ont mis leurs compétences en commun. Cottaar avait de l'expérience avec les équations d'état - la physique expliquant les liens entre la température, pression, volume et d'autres caractéristiques fondamentales — et Leki ? maîtrise les techniques bayésiennes, une approche probabiliste qui a aidé l'équipe à passer au crible d'innombrables modèles possibles et à trouver les plus probables. Et en raison de son expérience en sismologie en mode normal, Irving savait comment travailler avec l'ensemble de données nouvellement mis à jour.

« Donc, nous étions tous les trois des sismologues avec des compétences spécialisées différentes, et nous aimions prendre un café au petit déjeuner ensemble, " a déclaré Irving. " C'est tellement amusant de faire de la science avec des amis. "

Les chercheurs ont introduit les équations d'état dans le cluster de superordinateurs Tiger de Princeton pour générer des millions de modèles possibles du noyau externe. "Toutes les six secondes, nous créions un nouveau modèle, " a dit Irving. " Certains ont été rejetés parce qu'ils avaient l'air faux. Nous avons des tests scientifiques pour « mauvais, ' pour les modèles qui disent des choses comme, « La masse de la Terre devrait être le double de ce que nous pensons qu'elle est. »

L'équipe a ensuite pris le meilleur des modèles et les a utilisés pour prédire à quelles fréquences la Terre entière tremblerait après un tremblement de terre massif. Les chercheurs ont comparé les fréquences mesurées des modes normaux aux prédictions de leurs modèles jusqu'à ce qu'ils trouvent leur modèle préféré.

Lors de l'enseignement sur les modes normaux, Irving utilise la métaphore de deux cloches, l'un en laiton et l'autre en acier, tous deux peints en blanc. "Si vous frappez ces cloches, vous en tirerez des notes différentes, et cela vous dira que vous avez différents matériaux là-dedans, " dit-elle. " Les fréquences exactes - la hauteur exacte à laquelle la Terre tremble après ces très gros tremblements de terre - dépendent des propriétés matérielles de la Terre. Tout comme nous ne pouvons pas voir à travers la peinture sur les cloches, nous ne pouvons pas voir à travers la planète, mais nous pouvons écouter le pitch, les fréquences de ces observations de la Terre entière, et les utiliser pour faire des déductions sur ce qui se passe au plus profond de la Terre. »