Pour des raisons inconnues, Le noyau interne en fer solide de la Terre croît plus rapidement d'un côté que de l'autre, et cela depuis qu'il a commencé à geler du fer en fusion il y a plus d'un demi-milliard d'années, selon une nouvelle étude réalisée par des sismologues de l'Université de Californie, Berkeley.

La croissance plus rapide sous la mer de Banda en Indonésie n'a pas laissé le noyau déséquilibré. La gravité répartit uniformément la nouvelle croissance (les cristaux de fer qui se forment lorsque le fer en fusion se refroidit) pour maintenir un noyau interne sphérique dont le rayon augmente en moyenne de 1 millimètre par an.

Mais la croissance accrue d'un côté suggère que quelque chose dans le noyau externe ou le manteau de la Terre sous l'Indonésie élimine la chaleur du noyau interne à un rythme plus rapide que sur le côté opposé, sous le Brésil. Un refroidissement plus rapide d'un côté accélérerait la cristallisation du fer et la croissance du noyau interne de ce côté.

Cela a des implications pour le champ magnétique terrestre et son histoire, parce que la convection dans le noyau externe entraînée par le dégagement de chaleur du noyau interne est ce qui entraîne aujourd'hui la dynamo qui génère le champ magnétique qui nous protège des particules dangereuses du soleil.

"Nous fournissons des limites plutôt lâches sur l'âge du noyau interne - entre un demi-milliard et 1,5 milliard d'années - qui peuvent être utiles dans le débat sur la façon dont le champ magnétique a été généré avant l'existence du noyau interne solide, " a déclaré Barbara Romanowicz, UC Berkeley Professeur à la Graduate School du Département des sciences de la Terre et des planètes et directeur émérite du Berkeley Seismological Laboratory (BSL). "Nous savons que le champ magnétique existait déjà il y a 3 milliards d'années, donc d'autres processus doivent avoir entraîné la convection dans le noyau externe à ce moment-là."

L'âge jeune du noyau interne peut signifier que, au début de l'histoire de la Terre, la chaleur faisant bouillir le noyau fluide provenait d'éléments légers se séparant du fer, pas de la cristallisation du fer, que nous voyons aujourd'hui.

"Le débat sur l'âge du noyau interne dure depuis longtemps, " a déclaré Daniel Frost, assistant de projet scientifique à la BSL. "La complication est :si le noyau interne n'a pu exister que pendant 1,5 milliard d'années, sur la base de ce que nous savons sur la façon dont il perd de la chaleur et à quel point il fait chaud, alors d'où vient l'ancien champ magnétique ? C'est de là qu'est venue cette idée d'éléments légers dissous qui gèlent ensuite."

Fer à congeler

La croissance asymétrique du noyau interne explique un mystère vieux de trois décennies :le fer cristallisé dans le noyau semble être préférentiellement aligné le long de l'axe de rotation de la Terre, plus à l'ouest qu'à l'est, alors que l'on s'attendrait à ce que les cristaux soient orientés au hasard.

La preuve de cet alignement provient des mesures du temps de trajet des ondes sismiques des tremblements de terre à travers le noyau interne. Les ondes sismiques se déplacent plus rapidement dans la direction de l'axe de rotation nord-sud que le long de l'équateur, une asymétrie que les géologues attribuent aux cristaux de fer - qui sont asymétriques - ayant leurs grands axes préférentiellement alignés le long de l'axe de la Terre.

Si le noyau est en fer cristallin solide, comment les cristaux de fer s'orientent-ils préférentiellement dans une direction ?

Pour tenter d'expliquer les observations, Frost et ses collègues Marine Lasbleis de l'Université de Nantes en France et Brian Chandler et Romanowicz de l'UC Berkeley ont créé un modèle informatique de croissance cristalline dans le noyau interne qui intègre des modèles de croissance géodynamiques et la physique minérale du fer à haute pression et haute température.

"Le modèle le plus simple semblait un peu inhabituel - que le noyau interne soit asymétrique, " dit Frost. " Le côté ouest est différent du côté est jusqu'au centre, pas seulement au sommet du noyau interne, comme certains l'ont suggéré. La seule façon d'expliquer cela est qu'un côté croît plus vite que l'autre."

Le modèle décrit comment la croissance asymétrique - environ 60% plus élevée à l'est qu'à l'ouest - peut orienter préférentiellement les cristaux de fer le long de l'axe de rotation, avec plus d'alignement à l'ouest qu'à l'est, et expliquer la différence de vitesse des ondes sismiques à travers le noyau interne.

"Ce que nous proposons dans cet article est un modèle de convection solide déséquilibrée dans le noyau interne qui réconcilie les observations sismiques et les conditions limites géodynamiques plausibles, ", a déclaré Romanowicz.

Gel, Romanowicz et leurs collègues rendront compte de leurs découvertes dans le numéro de cette semaine du journal Géosciences de la nature .

Sonder l'intérieur de la Terre avec des ondes sismiques

L'intérieur de la Terre est en couches comme un oignon. Le noyau interne solide en fer-nickel, aujourd'hui 1, 200 kilomètres (745 miles) de rayon, ou environ les trois quarts de la taille de la lune - est entouré d'un noyau externe fluide de fer fondu et de nickel environ 2, 400 kilomètres (1, 500 milles) d'épaisseur. Le noyau externe est entouré d'un manteau de roche chaude 2, 900 kilomètres (1, 800 milles) d'épaisseur et recouvert d'une mince, frais, croûte rocheuse à la surface.

La convection se produit à la fois dans le noyau externe, qui bout lentement lorsque la chaleur du fer en cristallisation sort du noyau interne, et dans le manteau, à mesure que la roche plus chaude se déplace vers le haut pour transporter cette chaleur du centre de la planète à la surface. Le mouvement d'ébullition vigoureux dans le noyau externe de fer liquide produit le champ magnétique terrestre.

Selon le modèle informatique de Frost, qu'il créa avec l'aide de Lasbleis, à mesure que les cristaux de fer grandissent, la gravité redistribue l'excès de croissance de l'est vers l'ouest à l'intérieur du noyau interne. Ce mouvement de cristaux dans le solide plutôt mou du noyau interne - qui est proche du point de fusion du fer à ces hautes pressions - aligne le réseau cristallin le long de l'axe de rotation de la Terre à un degré plus élevé à l'ouest qu'à l'est.

Le modèle prédit correctement les nouvelles observations des chercheurs sur les temps de parcours des ondes sismiques à travers le noyau interne :l'anisotropie, ou différence des temps de parcours parallèles et perpendiculaires à l'axe de rotation, augmente avec la profondeur, et l'anisotropie la plus forte est décalée à l'ouest de l'axe de rotation de la Terre d'environ 400 kilomètres (250 miles).

Le modèle de croissance du noyau interne fournit également des limites sur la proportion de nickel par rapport au fer au centre de la terre, dit Frost. Son modèle ne reproduit pas avec précision les observations sismiques à moins que le nickel ne représente entre 4% et 8% du noyau interne, ce qui est proche de la proportion dans les météorites métalliques qui étaient autrefois probablement les noyaux des planètes naines de notre système solaire. Le modèle indique également aux géologues à quel point la viscosité, ou fluide, le noyau interne est.

"Nous suggérons que la viscosité du noyau interne est relativement grande, un paramètre d'entrée important pour les géodynamiciens étudiant les processus dynamo dans le noyau externe, ", a déclaré Romanowicz.