Le noyau terrestre

Le noyau est la couche la plus profonde et la plus mystérieuse de la planète. Il commence à environ 2 890 km sous nos pieds, à la limite avec le manteau, et s’étend jusqu’au centre de la Terre, à 6 371 km. Il occupe environ 16 % du volume terrestre mais concentre près d’un tiers de sa masse. C’est lui qui produit le champ magnétique qui protège la vie à la surface. Sa place dans l’ensemble des couches est présentée dans la fiche structure interne de la Terre.

Le noyau en chiffres

Le rayon total du noyau, environ 3 480 km, est un peu supérieur à celui de Mars. La graine a une taille voisine de celle de la Lune (rayon de 1 737 km), en un peu plus petit.

De quoi le noyau est-il fait ?

Le noyau est composé majoritairement de fer (de l’ordre de 85 %) et de nickel (environ 5 %). Mais le fer pur serait trop dense : les ondes sismiques montrent que le noyau externe est environ 10 % moins dense que du fer à la même pression. Il contient donc une part d'éléments légers, dont la nature exacte reste discutée : soufre, oxygène, silicium, carbone, hydrogène.

Trois arguments soutiennent cette composition :

• la densité moyenne de la Terre (5,5) est double de celle des roches de surface, ce qui impose un cœur très lourd ;
• les météorites métalliques, débris de noyaux de petits corps détruits, sont faites de fer et de nickel (voir météorites) ;
• le fer est l’élément lourd le plus abondant dans l’Univers, produit en grande quantité dans les étoiles.

Comment le noyau s’est-il formé ?

Dans ses premières dizaines de millions d’années, la Terre était en grande partie fondue. Le fer, plus dense que les silicates, a migré vers le centre en gouttes et en diapirs : c’est la différenciation. Ce processus, achevé en quelques dizaines de millions d’années après la naissance du système solaire, a libéré une énorme quantité de chaleur, encore en partie stockée aujourd’hui (voir formation de la Terre).

La graine est plus jeune. Elle se forme par cristallisation progressive du fer liquide à mesure que la Terre refroidit, et grossit d’environ 1 mm par an. Son âge est très débattu : les estimations vont de moins de 1 milliard à plus de 2 milliards d’années.

Pourquoi la graine est-elle solide malgré la chaleur ?

La température de fusion d’un matériau augmente avec la pression. Au centre de la Terre, la pression atteint environ 3,6 millions de fois la pression atmosphérique : le fer y reste solide à plus de 5 000 °C. Dans le noyau externe, la pression est un peu plus faible et le fer est liquide. La limite entre les deux correspond à l’endroit où la température réelle croise la température de fusion du fer.

Le moteur du champ magnétique

Le noyau externe est un océan de métal liquide, conducteur d’électricité, brassé par des mouvements de convection : la chaleur s’échappe vers le manteau, et la cristallisation de la graine libère des éléments légers qui remontent. Ces courants, déviés par la rotation de la Terre, entretiennent des courants électriques qui génèrent un champ magnétique : c’est la géodynamo.

Ce champ s’étend dans l’espace et forme la magnétosphère, détaillée dans la fiche champ magnétique terrestre. Sans noyau liquide, la Terre ressemblerait davantage à Mars, qui a perdu sa dynamo et l’essentiel de son atmosphère.

La découverte du noyau

Le noyau a été découvert grâce aux ondes des séismes, qui traversent la planète :

Les ondes de cisaillement (ondes S) ne se propagent pas dans les liquides : leur absence au-delà d’une certaine distance d’un séisme, la zone d’ombre, trahit un noyau externe liquide. Inge Lehmann a remarqué de faibles ondes P dans cette zone d’ombre, réfléchies par une frontière interne : la graine.

Ce qu’on étudie encore

• La rotation de la graine : la graine n’est pas rigidement liée au manteau. Plusieurs études suggèrent qu’elle tourne légèrement plus vite ou plus lentement que le reste de la planète selon les décennies ; l’ampleur de ces variations fait débat.
• L’anisotropie : les ondes traversent la graine plus vite selon l’axe des pôles que selon l’équateur, signe d’un alignement des cristaux de fer.
• La « graine dans la graine » : certaines études proposent l’existence d’un noyau interne encore plus profond, aux propriétés différentes.

Questions fréquentes

Quelle est la température du noyau de la Terre ?

Elle est estimée entre 4 000 °C au sommet du noyau externe et 5 000 à 6 000 °C au centre, soit l’ordre de grandeur de la surface du Soleil (environ 5 500 °C).

Le noyau terrestre va-t-il refroidir complètement ?

Il refroidit très lentement, de l’ordre de 100 °C par milliard d’années selon les estimations. La graine continuera de grossir pendant des milliards d’années ; un arrêt de la dynamo n’est pas envisagé à l’échelle de l’histoire humaine.

Peut-on aller jusqu’au noyau ?

Non. Le forage le plus profond n’a atteint que 12,26 km. Toute la connaissance du noyau provient de la sismologie, du magnétisme, des météorites et d’expériences reproduisant en laboratoire des pressions extrêmes.