Notre planète a une structure en couches de manteau de silicate et de noyau métallique. Le noyau externe liquide est situé à 2900 km sous la surface où la pression et la température sont extrêmement élevées,>136 gigapascal (1,36 million d'atmosphères) et>4000 C. Les profils de vitesse et de densité du son de l'intérieur profond de notre planète sont donnés par des observations sismologiques. Crédit :Professeur adjoint Yoichi Nakajima
En utilisant la grande installation de rayonnement synchrotron SPring-8 au Japon, une collaboration de chercheurs de l'Université de Kumamoto, l'Université de Tokyo, et d'autres du Japon et de la France ont mesuré avec précision la densité du fer liquide dans des conditions similaires à celles du noyau externe de la Terre :1, 000, 000 atm et 4, 000 degrés C. Des mesures précises de la densité du fer liquide dans des conditions aussi extrêmes sont très importantes pour comprendre la composition chimique du noyau de notre planète.
La Terre a un noyau interne en métal solide et un noyau externe en métal liquide situé à environ 2, 900 km (1, 800 mi) sous la surface, qui sont tous deux soumis à des pressions et des températures très élevées. Étant donné que le composant principal du noyau externe est le fer, et sa densité est considérablement inférieure à celle du fer pur, on pensait qu'il contenait une grande quantité d'éléments légers comme l'hydrogène et l'oxygène. Identifier le type et la quantité de ces éléments légers permettra de mieux comprendre l'origine de la Terre, en particulier les matériaux qui composaient la Terre et l'environnement au cœur lorsqu'il s'est séparé du manteau. Cependant, cela nécessite d'abord une mesure précise de la densité de la fonte liquide pure à une pression et une température extrêmes similaires à celles du noyau fondu afin que les densités puissent être comparées.
Au fur et à mesure que la pression monte, le point de fusion du fer s'élève également, ce qui rend difficile l'étude de la densité de la fonte liquide sous ultra-haute pression. Des mesures antérieures de densité de fer liquide à haute pression ont affirmé qu'elle était environ 10 % plus élevée que la densité de fer liquide dans des conditions de cœur, mais les expériences de compression de choc utilisées étaient supposées avoir une grande erreur.
Un échantillon de métal est placé à l'intérieur d'un joint en rhénium avec des isolants thermiques, pressé entre deux diamants pour générer une haute pression, et chauffé avec un laser proche infrarouge. Les mesures de densité dans de telles conditions de haute pression et de haute température sont effectuées en irradiant l'échantillon avec des faisceaux de rayons X. Crédit :Professeur adjoint Yoichi Nakajima
Les travaux en cours améliorent ces mesures en utilisant les rayons X à haute intensité de l'installation SPring-8 pour mesurer la diffraction des rayons X de la fonte liquide sous des pressions ultra-élevées et des températures élevées, et applique une nouvelle méthode analytique pour calculer la densité du liquide. En outre, le profil de vitesse du son du liquide a été mesuré dans des conditions extrêmes jusqu'à 450, 000 atm. Les données ont été recueillies à diverses températures et pressions, puis combinées avec des données d'ondes de choc antérieures pour calculer la densité des conditions sur l'ensemble du noyau terrestre.
Actuellement, la meilleure façon d'estimer la densité du noyau externe de la Terre est à partir d'observations sismiques. La comparaison de la densité du noyau externe aux mesures expérimentales de cette étude révèle que le fer pur est environ 8 % plus dense que celui du noyau externe de la Terre. Oxygène, qui a été considérée comme une impureté majeure dans le passé, ne peut pas expliquer la différence de densité, suggérant la présence d'autres éléments légers. Cette révélation est un grand pas vers l'estimation de la composition chimique du noyau, un problème de premier ordre en sciences de la Terre.
"À l'échelle mondiale, plusieurs tentatives pour mesurer la densité, vitesse du son, et la structure des liquides sous ultrahaute pression à l'aide de cellules diamant chauffées au laser sont réalisées depuis plus de 30 ans, mais aucun n'a réussi jusqu'à présent, " a déclaré le Dr Yoichi Nakajima, l'un des principaux membres de la collaboration de recherche. « Nous nous attendons à ce que les innovations technologiques réalisées dans cette étude accélèrent considérablement la recherche sur les liquides sous haute pression. À terme, nous pensons que cela approfondira notre compréhension du noyau métallique liquide et du magma au plus profond de la Terre et d'autres planètes rocheuses."
