Découverte d’un « mouvement de masse » rapide d’atomes de fer dans le noyau interne solide de la Terre

Les ions chargés interagissant avec le champ magnétique terrestre créent souvent des aurores près des pôles de la planète. Les aurores australiennes ou « aurores australes » ont été capturées ici par le satellite IMAGE de la NASA. Crédit : NASA

Une nouvelle étude a découvert un « mouvement de masse » rapide d’atomes de fer dans le noyau interne de la Terre. Ce mouvement peut expliquer la faiblesse inattendue du noyau des données sismiques et a des implications pour la compréhension de la génération du champ magnétique terrestre.

Les atomes de fer qui constituent le noyau interne solide de la Terre sont étroitement serrés par des pressions astronomiques élevées, les plus élevées de la planète.

Mais même dans ce cas, les chercheurs ont constaté qu’il existe une marge de manœuvre.

Une étude menée par l’Université du Texas à Austin et ses collaborateurs en Chine a révélé que certains groupes d’atomes de fer dans le noyau interne de la Terre sont capables de se déplacer rapidement, changeant de place en une fraction de seconde tout en conservant la structure métallique de base du fer. Un type de mouvement connu sous le nom de « mouvement de masse » qui ressemble à celui des convives qui changent de place à table.

Un modèle d’atomes de fer se déplaçant dans le noyau interne de la Terre. Le modèle montre comment les atomes de fer dans le noyau interne de la Terre devraient se déplacer en 10 picosecondes. Une picoseconde équivaut à un billionième de seconde. Crédit : Zhang et al.

Effets du champ magnétique terrestre

Les résultats, obtenus grâce à des expériences en laboratoire et à des modèles théoriques, indiquent que les atomes du noyau interne bougent beaucoup plus qu’on ne le pensait auparavant.

Les résultats pourraient aider à expliquer plusieurs propriétés intéressantes du noyau interne qui ont longtemps intrigué les scientifiques. Ils pourraient également aider à faire la lumière sur le rôle que joue le noyau interne dans l’alimentation de la géodynamo terrestre, le processus insaisissable qui génère le champ magnétique de la planète.

« Maintenant, nous connaissons le mécanisme de base qui nous aidera à comprendre les processus dynamiques et l’évolution du noyau interne de la Terre », a déclaré Jong-Fu Lin, professeur à l’UT Jackson School of Geosciences et l’un des principaux auteurs de l’étude.

L’étude a été publiée le 2 octobre dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.

Un extrait d’un modèle scientifique montrant comment les atomes de fer dans le noyau interne de la Terre devraient se déplacer en 10 picosecondes. Les lignes représentent un chemin atome Cela évolue également dans le temps. Le modèle est basé sur un algorithme d’intelligence artificielle qui représente des dizaines de milliers d’atomes. Une picoseconde équivaut à un billionième de seconde. Crédit : Zhang et al.

Méthodes et résultats

Il est impossible pour les scientifiques de prélever des échantillons directement du noyau interne de la Terre en raison des températures et des pressions extrêmement élevées. Ainsi, Lin et ses collaborateurs l’ont recréé en miniature en laboratoire en prenant une petite plaque de fer et en la tirant avec un projectile rapide. Les données de température, de pression et de vitesse collectées au cours de l’expérience ont ensuite été intégrées à un modèle informatique d’apprentissage automatique des atomes du noyau interne.

Les scientifiques pensent que les atomes de fer dans le noyau interne sont disposés selon une configuration hexagonale répétitive. Selon Lin, la plupart des modèles informatiques décrivant la dynamique du réseau du fer dans le noyau interne ne montrent qu’un petit nombre d’atomes, généralement moins d’une centaine. Mais grâce à un algorithme d’intelligence artificielle, les chercheurs ont pu améliorer considérablement l’environnement atomique, créant une « supercellule » composée d’environ 30 000 atomes pour prédire de manière plus fiable les propriétés du fer.

À cette échelle de supercellule, les scientifiques ont observé des groupes d’atomes se déplaçant et changeant de place tout en conservant la structure hexagonale globale.

Le co-auteur principal, Jong Fu « Avo » Lin, possède un modèle d’atomes de fer disposés dans une structure hexagonale qui se trouverait dans le noyau interne de la Terre. Crédit : Jong-Fu Lin/UT Jackson College of Geosciences

Le mouvement atomique explique les mesures sismiques

Les chercheurs ont déclaré que le mouvement atomique pourrait expliquer pourquoi les mesures sismiques du noyau interne montrent un environnement plus doux et plus flexible que ce à quoi on pourrait s’attendre à de telles pressions, ont déclaré le co-auteur Yujun Zhang, professeur à l’Université du Sichuan.

« Les sismologues ont découvert que le centre de la Terre, appelé noyau interne, est étonnamment lisse, un peu comme le beurre mou de votre cuisine », a-t-il déclaré. « Notre grande découverte est que le fer solide devient étonnamment mou en profondeur, car ses atomes peuvent se déplacer beaucoup plus que nous ne l’avions jamais imaginé. Ce mouvement accru rend le noyau interne moins rigide et plus faible face aux forces de cisaillement. « 

Les chercheurs ont déclaré que la recherche d’une réponse pour expliquer les propriétés physiques « étonnamment douces » reflétées dans les données sismiques est ce qui a motivé leurs recherches.

Rôle dans l’énergie géodynamique de la Terre

Selon les chercheurs, environ la moitié de l’énergie de la géodynamo qui génère le champ magnétique terrestre peut être attribuée au noyau interne, tandis que le reste est constitué du noyau externe. De nouvelles connaissances sur l’activité du noyau interne au niveau atomique pourraient contribuer à éclairer les recherches futures sur la façon dont l’énergie et la chaleur sont générées dans le noyau interne, comment elles sont liées à la dynamique du noyau externe et comment elles travaillent ensemble pour générer le champ magnétique de la planète. C’est l’ingrédient clé d’une planète habitable.

Référence : « Mouvement collectif de hcp-Fe dans les conditions du noyau intérieur de la Terre » par Youjun Zhang, Yong Wang, Yuqian Huang, Junjie Wang, Zhixin Liang, Long Hao, Zhipeng Gao, Jun Li, Qiang Wu, Hong Zhang, Yun Liu, Jian . Sun et Gong Fu Lin, 2 octobre 2023, Actes de l’Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2309952120

L’étude a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le programme de géophysique de la Fondation nationale des sciences.