De nouvelles expériences conduites par l'équipe du Dr. Jung-Fu Lin de Institut Carnegie suggèrent que le noyau de la Terre pourrait contenir plus d'éléments légers qu'on ne l'avait précédemment pensé. L'étude a été publiée le 24 juin 2005, dans la revue Science.
"La composition du noyau de la terre est le sujet de discussions scientifiques depuis des années", commente Lin. "Le consensus est que le noyau externe est un chaudron en fusion contenant principalement du fer ainsi que quelques éléments légers et que le noyau interne est composé de fer solide avec très peu d'éléments légers. Nous ne pouvons pas échantillonner le noyau directement, ainsi nous avons fait ces évaluations en étudiant les ondes sismiques lorsqu'elles traversent l'intérieur de la terre, par expérimentation et par études théoriques", ajoute-t-il.
À mesure que la profondeur augmente à l'intérieur de la Terre, la pression et la chaleur en font de même. La pression dans le noyau varie de 1,4 million de fois la pression au niveau de la mer au bord externe du noyau, jusqu'à 3,6 millions de fois cette pression en son centre. Les modèles actuels suggèrent que les températures centrales avoisinent les 5000 à 6000 °K. Les matériaux dans cet environnement sont si comprimés, denses et chauds que les atomes se comportent de façon très différente que dans les conditions normales.
Jusqu'ici, les scientifiques déduisaient la nature des matériaux du noyau de la mesure des ondes sismiques et en appliquant une loi connue sous le nom de Loi de Birch, qui prévoit que la vitesse du son est inférieure lors de la traversée d'une matière peu dense que lors de la traversée d'une matière très dense. Cependant, les scientifiques ont découvert dans leurs expériences sur le fer, que la température a un effet significatif, et un impact sur le rapport de vitesse / densité. "Nous avons constaté que lorsque la température est prise en compte dans l'expérience, les vitesses des ondes de compression (les ondes qui forcent les atomes à se rapprocher) et des ondes de cisaillement (quand les atomes frottent les uns contre les autres) diminuent en fait avec l'augmentation de la température, ceci bien que la pression ne soit que modérément élevée", explique Wolfgang Sturhahn, co-auteur de l'étude.
Les chercheurs ont comparé leurs résultats avec les mesures des ondes sismiques à l'intérieur de la Terre et ont déterminé qu'il y a plus d'éléments légers contenus dans le fer que ce qu'il pouvait être conclu par simple extrapolation linéaire d'expériences réalisées à température ambiante.
"Cette loi était une première approximation", indique Lin. "Elle supposait que nous devions seulement considérer l'effet de la densité interne. Notre étude démontre que nous devons prendre également en compte les effets de pression et de température".
A l'aide d'une presse au diamant, le fer a été soumis par les scientifiques à des pressions jusqu'à environ 720.000 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer, et un chauffage laser a permis d'augmenter les températures jusqu'à 1700° K. Les chercheurs ont observé les modifications des atomes de fer par rayons X intenses. Ils ont mesuré la vitesse du son à travers le métal comprimé et chaud grâce à une technique sophistiquée connue sous le nom de "diffusion inélastique des rayons X par résonance nucléaire". "Le développement de cette nouvelle technique était crucial pour nos études, qui ont dû avancer bien au delà des investigations de structure habituelles pour nous fournir cette vision de l'intérieur de la planète", précise Sturhahn qui a développé cette technique.
"Pendant les 50 dernières années, la Loi de Birch a aidé les géophysiciens à comprendre les matériaux denses situés dans les conditions extrêmes à l'intérieur de la Terre. Nos résultats montrent comment une nouvelle technologie peut nettement améliorer notre compréhension de la structure interne de notre planète", conclut Ho-kwang Mao, également co-auteur de l'étude.