Structure intérieure de la Terre et noyau interne superionique. Crédit : IGCAS
Le noyau de la Terre, la partie la plus profonde de notre planète, est caractérisé par une pression et une température extrêmement élevées. Il est composé d’un noyau externe liquide et d’un noyau interne solide.
Le noyau interne se forme et croît en raison de la solidification du fer liquide à la limite du noyau interne. Le noyau interne est moins dense que le fer pur, et on pense que certains éléments légers sont présents dans le noyau interne.
Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur HE Yu de l’Institut de géochimie de l’Académie chinoise des sciences (IGCAS) a découvert que le noyau interne de la Terre n’est pas un solide normal, mais qu’il est composé d’un sous-réseau de fer solide et d’éléments légers de type liquide, ce que l’on appelle également un état superionique. Les éléments légers de type liquide sont hautement diffusifs dans les sous-réseaux de fer dans les conditions du noyau interne.
Cette étude sera publiée dans le journal Nature aujourd’hui (9 février 2022).
Un état superionique, qui est un état intermédiaire entre solide et liquide, existe largement à l’intérieur des planètes. En utilisant des simulations informatiques à haute pression et haute température basées sur la théorie de la mécanique quantique, des chercheurs de l’IGCAS et du Center for High Pressure Science & ; Technology Advanced Research (HPSTAR) ont découvert que certains alliages Fe-H, Fe-C et Fe-O se transformaient en un état superionique dans les conditions du noyau interne.
Dans les alliages de fer superioniques, les éléments légers deviennent désordonnés et diffusent comme un liquide dans le réseau, tandis que les atomes de fer restent ordonnés et vibrent autour de leur grille de réseau, formant la structure solide du fer. Les coefficients de diffusion de C, H et O dans les alliages de fer superioniques sont les mêmes que ceux du Fe liquide.
“C’est tout à fait anormal. La solidification du fer à la limite du noyau interne ne change pas la mobilité de ces éléments légers, et la convection des éléments légers est continue dans le noyau interne”, a déclaré le professeur HE Yu, premier auteur et auteur correspondant de l’étude.
Un mystère de longue date concernant le noyau interne est qu’il est assez mou, avec une vitesse d’onde de cisaillement assez faible. Les chercheurs ont calculé les vitesses sismiques dans ces alliages de fer superioniques et ont constaté une diminution significative de la vitesse des ondes de cisaillement. “Nos résultats correspondent bien aux observations sismologiques. Ce sont les éléments de type liquide qui font ramollir le noyau interne”, a déclaré le co-premier auteur SUN Shichuan de l’IGCAS.
Les éléments légers hautement diffusifs peuvent affecter les vitesses sismiques, fournissant des indices essentiels pour comprendre d’autres mystères du noyau interne. La structure anisotrope, les atténuations d’ondes sismiques et les changements structurels du noyau interne au cours des dernières décennies peuvent être rationalisés dans le modèle superionique en considérant la distribution et la convection de ces éléments de type liquide dans le noyau interne.
Référence : “Les alliages de fer superioniques et leurs vitesses sismiques dans le noyau interne de la Terre” 9 février 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04361-x
