Le champ magnétique mondial de la terre joue un rôle vital dans notre vie quotidienne, nous protégeant des rayonnements solaires nocifs. Le champ magnétique, qui existe depuis des milliards d’années, est causé par une dynamo — ou un générateur — dans le fer principalement fondu à l’intérieur de la terre; ce fer liquide bat dans un processus appelé convection. Mais la convection ne se produit pas seule. Il a besoin d’une force motrice — une source d’énergie. Maintenant, l’étudiant diplômé Joseph O’Rourke et David Stevenson, professeur de sciences planétaires Marvin L. Goldberger de Caltech, ont proposé un nouveau mécanisme qui peut alimenter cette convection à l’intérieur de la terre pour toute l’histoire de la terre.

Un article détaillant les résultats apparaît dans le numéro de Nature du 21 janvier.

La convection peut être observée dans des phénomènes quotidiens tels qu’une casserole d’eau bouillante. La chaleur au fond du pot fait que les poches de liquide deviennent moins denses que le fluide environnant et augmentent ainsi. Lorsqu’elles atteignent la surface, les poches de liquide se refroidissent et coulent à nouveau. Ce même processus se produit dans la couche de métal fondu de 1 400 milles d’épaisseur qui constitue le noyau externe.

La terre se compose principalement du manteau (matériau solide composé d’oxydes et de silicates dans lequel le magnésium est important) et du noyau (principalement du fer). Ces deux régions sont généralement considérées comme complètement séparées; c’est-à-dire que les matériaux du manteau ne se dissolvent pas dans les matériaux de base. Ils ne se mélangent pas au niveau atomique, de la même manière que l’eau ne se mélange généralement pas avec l’huile. Le noyau a une partie interne solide qui s’est développée lentement tout au long de l’histoire de la terre, à mesure que le fer liquide à l’intérieur de la planète se solidifie. La partie liquide externe du noyau est une couche de fer fondu mélangée à d’autres éléments, notamment du silicium, de l’oxygène, du nickel et une petite quantité de magnésium. Stevenson et O’Rourke proposent que le transfert de l’élément magnésium sous forme de minéraux du manteau du noyau externe à la base du manteau est le mécanisme qui alimente la convection.

Le magneisum est un élément majeur du manteau, mais il a une faible solubilité dans le noyau de fer, sauf à des températures très élevées — supérieures à 7 200 degrés Fahrenheit. Au fur et à mesure que le noyau de la terre se refroidit, les oxydes de magnésium et les silicates de magnésium cristallisent à partir du noyau externe métallique et liquide, tout comme le sucre dissous dans l’eau chaude précipitera sous forme de cristaux de sucre lorsque l’eau se refroidit. Parce que ces cristaux sont moins denses que le fer, ils montent à la base du manteau. Le métal liquide le plus lourd laissé ensuite coule, et ce mouvement, soutient Stevenson, pourrait être le mécanisme qui a soutenu la convection pendant plus de trois milliards d’années — le mécanisme qui à son tour alimente le champ magnétique mondial.

« La précipitation des minéraux contenant du magnésium à partir du noyau externe est 10 fois plus efficace pour entraîner la convection que la croissance du noyau interne », explique O’Rourke. « Ces minéraux sont très flottants et les mouvements fluides qui en résultent peuvent transporter efficacement la chaleur. Le noyau n’a besoin que de précipiter vers le haut une couche de minéraux de magnésium de 10 kilomètres d’épaisseur — ce qui semble beaucoup, mais ce n’est pas beaucoup à l’échelle des noyaux interne et externe — pour entraîner la convection du noyau externe. »

Les modèles précédents supposaient que le refroidissement régulier du fer dans le noyau interne libérerait de la chaleur susceptible d’alimenter la convection. Mais la plupart des mesures et des théories de ces dernières années concernant la conductivité thermique du fer — la propriété qui détermine l’efficacité de la circulation de la chaleur à travers un métal — indiquent que le métal peut facilement transférer de la chaleur sans subir de mouvement. « Le chauffage du fer au bas du noyau extérieur ne le fera pas remonter de manière flottante — il va simplement dissiper la chaleur dans son environnement », explique O’Rourke.

« Dave a eu l’idée d’une dynamo alimentée au magnésium pendant un certain temps, mais il n’y avait pas de magnésium dans le noyau de la Terre », explique O’Rourke. « Maintenant, les modèles de formation planétaire au début du système solaire montrent que la Terre a subi des impacts fréquents avec des corps planétaires géants. Si ces événements violents et énergétiques se produisaient, la Terre aurait connu des températures beaucoup plus élevées pendant sa formation qu’on ne le pensait auparavant — des températures qui auraient été suffisamment élevées pour permettre à un peu de magnésium de se mélanger au fer métallique liquide. »

Ces modèles ont permis de poursuivre l’idée que la dynamo peut être alimentée par la précipitation de minéraux contenant du magnésium. O’Rourke a calculé que les quantités de magnésium qui se seraient dissoutes dans le noyau pendant les premiers stades chauds de la Terre auraient provoqué d’autres changements dans la composition du manteau qui sont compatibles avec d’autres modèles et mesures. Il a également calculé que la précipitation de ces minéraux de magnésium aurait suffisamment d’énergie pour alimenter la dynamo pendant quatre milliards d’années.

La vérification expérimentale de la quantité de magnésium qui peut entrer dans le noyau est encore rare, disent O’Rourke et Stevenson. « D’autres applications de notre mécanisme proposé incluent Vénus — où il n’y a pas de champ magnétique — et les exoplanètes abondantes qui sont plus massives que la Terre mais peuvent avoir des compositions chimiques similaires », explique Stevenson.