De la convection dans le noyau ?

Yanick Ricard

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Henri-Claude Nataf

Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique, Grenoble.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/07/2001

Résumé

Existence de mouvements convectifs dans le noyau et champ magnétique terrestre.


Question

Sujet  : Mouvements de convection dans le noyau Date  : Lun, 7 Mai 2001 15:19:16 De  : steph.premier.

« Que sait-on des mouvements de convection dans le noyau ? Notamment sait-on s'il existe une différence entre noyau interne et externe ? »

Réponse

Résumé

Le noyau externe est liquide ; la différence de température entre le haut et le bas de cette enveloppe entraîne des mouvements de convection rapides (de l'ordre du mm/s). Cette convection thermique est renforcée et modifiée par une convection chimique (quand le fer liquide du noyau externe cristallise, le liquide résiduel s'enrichit en éléments légers et remonte).

Ces convections rapides sont influencées par la rotation de la Terre (effet Coriolis, entre autre), et ont une géométrie complexe. Ces mouvements du fer fondu, conducteur électrique, sont à l'origine de courants électriques, eux-mêmes à l'origine du champ magnétique terrestre. Certains auteurs utilisent les variations plus ou moins régulières du champ magnétique pour retrouver la forme des cellules de convection du noyau.

Le noyau interne (graine) est solide. S'il convecte, c'est une convection à l'état solide (comme dans le manteau), avec une vitesse faible, de l'ordre du cm/an.

Variations du champ magnétique et mouvements dans le noyau

Contrairement aux mouvements du manteau, si lents qu'on ne les voit pas à l'échelle humaine (ou alors très difficilement par des méthodes de géodésie spatiale, GPS, Doris...), les mouvements du noyau se produisent à une échelle humaine. Les marins savent depuis le début du 17ème siècle que le champ magnétique varie plus ou moins régulièrement et que l'angle entre les Nords géographique et magnétique (la déclinaison magnétique) varie au cours de temps. La variation du champ magnétique est directement due aux variations des vitesses de convection dans le noyau externe. Les équations de l'électromagnétisme (équations de Maxwell) permettent de calculer les vitesses à la surface du noyau qui sont de l'ordre de quelques kilomètres par an (ces vitesses sont très faibles mais tout de même 10 000 fois plus grandes que celles du manteau).

La géométrie des mouvements de convection dans le noyau

Figure 1. Principaux mouvements dans le noyau externe

En maillage bleu : la limite noyau externe-manteau ; en maillage rouge : la limite graine-noyau externe.


Contrairement au manteau qui a une grande viscosité (c'est-à-dire qu'il se déforme difficilement), le noyau est aussi liquide que de l'eau. Dans ces conditions, la dynamique du noyau doit être similaire à celle de l'océan ou de l'atmosphère. Elle est probablement dominée par la force de Coriolis due à la rotation de la Terre et se développe sous la forme de cyclones et anticyclones d'axes parallèles à l'axe de rotation terrestre.

À partir de la variation du champ magnétique observée à la surface de la Terre sur quelques centaines d'années, des modèles quantitatifs qui expliquent les observations (moyennant un certain nombre d'hypothèses physiques plus ou moins vérifiées) fournissent des cartes des mouvements à la surface du noyau. On y voit de grands "tourbillons" avec des vitesses typiques de 0,1 mm/s.

Ce qu'on connaît de la convection dans une sphère en rotation rapide conduit à penser que ces mouvements peuvent être prolongés dans tout le volume du noyau, formant des sortes de colonnes d'axe parallèle à l'axe de rotation de la Terre.


Une confirmation de cette idée vient du bon accord que l'on observe entre les variations de la vitesse de rotation de la Terre (variations de la durée du jour) observées à l'échelle décennale et celles prédites par les mouvements axi-symétriques prolongés dans tout le noyau.

Figure 3. Variations de la déclinaison magnétique et de la vitesse de rotation de la Terre


Y a-t-il de la convection dans le noyau interne ?

Le noyau externe est constitué essentiellement de fer et de nickel, à l'état liquide. L'augmentation de la pression fait passer ce liquide à l'état solide dans le noyau interne (ou graine).

En plus de cette transformation de phase (liquide pour le noyau externe, solide pour le noyau interne), la cristallisation du métal relâche les éléments les moins denses à la surface de la graine. Le noyau interne est donc constitué de fer solide, un peu plus pur que le noyau externe liquide.

Il peut y avoir des mouvements dans la graine solide, comme il y en a dans le manteau solide, mais, s'ils existent, ils doivent être beaucoup plus lents que dans le noyau externe (quelques centimètres par an ?).

Bibliographie utile

  • H.C. Nataf, J. Sommeria, 2000. La physique de la Terre, Croisée des Sciences, Éd. Belin-CNRS
  • A. Cazenave, K. Feigl, 1994. Formes et mouvements de la Terre, Croisée des Sciences, Éd. Belin-CNRS