Crédit d'image: NASA
Les géologues de l'Université de Berkeley pensent que le potassium radioactif pourrait être une source importante de chaleur dans le cœur de la Terre. Cependant, les géologues ont découvert que le potassium peut former un alliage lourd avec du fer sous des températures et des pressions élevées, de sorte qu'il pourrait avoir juste coulé au milieu de la Terre et pourrait former une minuscule composante du noyau - mais un cinquième de sa chaleur.
Le potassium radioactif, suffisamment répandu sur Terre pour faire des bananes riches en potassium l'un des aliments les plus «chauds» du monde, semble également être une source importante de chaleur au cœur de la Terre, selon des expériences récentes menées par des géophysiciens de l'Université de Californie à Berkeley.
On pense que le potassium, l'uranium et le thorium radioactifs sont les trois principales sources de chaleur à l'intérieur de la Terre, en dehors de celle générée par la formation de la planète. Ensemble, la chaleur maintient le manteau en rotation active et le noyau génère un champ magnétique protecteur.
Mais les géophysiciens ont trouvé beaucoup moins de potassium dans la croûte terrestre et le manteau que ce à quoi on pourrait s’attendre sur la base de la composition des météores rocheux qui auraient formé la Terre. Si, comme certains l'ont proposé, le potassium manquant réside dans le noyau de fer de la Terre, comment un élément aussi léger que le potassium y est-il arrivé, d'autant plus que le fer et le potassium ne se mélangent pas?
Kanani Lee, qui a récemment obtenu son doctorat. d'UC Berkeley, et le professeur d'UC Berkeley de sciences de la terre et des planètes Raymond Jeanloz ont découvert une réponse possible. Ils ont montré qu’aux hautes pressions et températures à l’intérieur de la Terre, le potassium peut former un alliage avec du fer jamais observé auparavant. Au cours de la formation de la planète, cet alliage potassium-fer aurait pu sombrer dans le cœur, épuisant le potassium dans le manteau et la croûte sus-jacents et fournissant une source de chaleur radioactive en potassium en plus de celle fournie par l'uranium et le thorium dans le cœur.
Lee a créé le nouvel alliage en serrant le fer et le potassium entre les pointes de deux diamants à des températures et des pressions caractéristiques de 600 à 700 kilomètres sous la surface - 2500 degrés Celsius et près de 4 millions de livres par pouce carré, soit un quart de million de fois l'atmosphère pression.
"Nos nouvelles découvertes indiquent que le noyau peut contenir jusqu'à 1 200 parties par million de potassium - juste plus d'un dixième d'un pour cent", a déclaré Lee. «Cette quantité peut sembler faible et est comparable à la concentration de potassium radioactif naturellement présente dans les bananes. Combiné sur toute la masse du noyau terrestre, cependant, il peut suffire à fournir un cinquième de la chaleur dégagée par la Terre. »
Lee et Jeanloz rendront compte de leurs conclusions le 10 décembre, lors de la réunion de l'American Geophysical Union à San Francisco, et dans un article accepté pour publication dans Geophysical Research Letters.
«Avec une expérience, Lee et Jeanloz ont démontré que le potassium peut être une source de chaleur importante pour la géodynamique, ont fourni un moyen de sortir de certains aspects gênants de l'évolution thermique du cœur, et ont en outre démontré que la physique minérale computationnelle moderne non seulement complète les travaux expérimentaux, mais qu'il peut fournir des orientations pour des explorations expérimentales fructueuses », a déclaré Mark Bukowinski, professeur de sciences de la terre et des planètes à UC Berkeley, qui a prédit l'alliage inhabituel au milieu des années 1970.
Le géophysicien Bruce Buffett de l'Université de Chicago met en garde contre le fait que davantage d'expériences doivent être faites pour montrer que le fer peut réellement éloigner le potassium des roches silicatées qui dominent dans le manteau terrestre.
"Ils ont prouvé qu'il serait possible de dissoudre le potassium dans le fer liquide", a déclaré Buffet. «Les modélisateurs ont besoin de chaleur, c'est donc une source, car l'isotope radiogène du potassium peut produire de la chaleur et cela peut aider à alimenter la convection dans le noyau et à entraîner le champ magnétique. Ils ont prouvé qu'il pouvait entrer. Ce qui est important, c'est la quantité de produit extrait du silicate. Il y a encore du travail à faire "
Si une quantité importante de potassium réside dans le noyau de la Terre, cela clarifierait une question persistante - pourquoi le rapport du potassium à l'uranium dans les météorites pierreuses (chondrites), qui se sont vraisemblablement fusionnées pour former la Terre, est huit fois plus élevé que celui observé ratio dans la croûte terrestre. Bien que certains géologues aient affirmé que le potassium manquant se trouve dans le cœur, il n'y avait aucun mécanisme par lequel il aurait pu atteindre le cœur. D'autres éléments comme l'oxygène et le carbone forment des composés ou des alliages avec du fer et ont probablement été entraînés par le fer alors qu'il coulait jusqu'au cœur. Mais à température et pression normales, le potassium ne s'associe pas au fer.
D’autres ont fait valoir que le potassium manquant s’était évaporé au début, au stade fondu de l’évolution de la Terre.
La démonstration par Lee et Jeanloz que le potassium peut se dissoudre dans le fer pour former un alliage fournit une explication pour le potassium manquant.
"Au début de l'histoire de la Terre, la température et la pression intérieures n'auraient pas été suffisamment élevées pour fabriquer cet alliage", a déclaré Lee. "Mais comme de plus en plus de météorites s'accumulaient, la pression et la température auraient augmenté au point où cet alliage pourrait se former."
L'existence de cet alliage à haute pression a été prédit par Bukowinski au milieu des années 1970. À l'aide d'arguments de mécanique quantique, il a suggéré que la haute pression comprimerait l'électron extérieur isolé du potassium dans une coquille inférieure, faisant l'atome ressembler au fer et donc plus susceptible de s'allier au fer.
Des calculs plus récents de mécanique quantique utilisant des techniques améliorées, effectués avec Gerd Steinle-Neumann à l’université Bayerisches Geoinstit? T de Bayreuth, ont confirmé les nouvelles mesures expérimentales.
"Cela reproduit et vérifie vraiment les calculs antérieurs il y a 26 ans et fournit une explication physique de nos résultats expérimentaux", a déclaré Jeanloz.
On pense que la Terre s'est formée à partir de la collision de nombreux astéroïdes rocheux, peut-être des centaines de kilomètres de diamètre, dans le premier système solaire. Au fur et à mesure que la proto-Terre s'est agrandie, les collisions d'astéroïdes et l'effondrement gravitationnel ont maintenu la planète en fusion. Des éléments plus lourds? en particulier le fer - aurait coulé jusqu'au cœur dans 10 à 100 millions d'années, emportant avec lui d'autres éléments qui se lient au fer.
Progressivement, cependant, la Terre se serait refroidie et serait devenue un globe rocheux mort avec une boule de fer froide au cœur sans la libération continue de chaleur par la désintégration d'éléments radioactifs comme le potassium-40, l'uranium-238 et le thorium-232 , qui ont des demi-vies de 1,25 milliard, 4 milliards et 14 milliards d'années, respectivement. Environ un sur mille atomes de potassium est radioactif.
La chaleur générée dans le noyau transforme le fer en une dynamo à convection qui maintient un champ magnétique suffisamment fort pour protéger la planète du vent solaire. Cette chaleur s'échappe dans le manteau, provoquant une convection dans la roche qui déplace les plaques crustales et alimente les volcans.
Cependant, il a été difficile d'équilibrer la chaleur générée dans le cœur avec les concentrations connues d'isotopes radiogènes et le potassium manquant a été une grande partie du problème. Un chercheur a proposé plus tôt cette année que le soufre pourrait aider le potassium à s'associer au fer et fournir un moyen par lequel le potassium pourrait atteindre le cœur.
L'expérience de Lee et Jeanloz montre que le soufre n'est pas nécessaire. Lee a combiné du fer pur et du potassium pur dans une cellule à enclume en diamant et a comprimé le petit échantillon à 26 gigapascals de pression tout en chauffant l'échantillon avec un laser au-dessus de 2500 Kelvin (4000 degrés Fahrenheit), ce qui est au-dessus des points de fusion du potassium et du fer. Elle a mené cette expérience six fois dans les faisceaux de rayons X à haute intensité de deux accélérateurs différents - la source lumineuse avancée du laboratoire national de Lawrence Berkeley et le laboratoire de rayonnement du synchrotron de Stanford - pour obtenir des images de diffraction des rayons X de la structure interne des échantillons. Les images ont confirmé que le potassium et le fer se sont mélangés uniformément pour former un alliage, tout comme le fer et le mélange de carbone pour former un alliage d'acier.
Dans l'océan magma théorique d'une proto-Terre, la pression à une profondeur de 400-1 000 kilomètres (270-670 miles) serait comprise entre 15 et 35 gigapascals et la température serait de 2200 à 3000 Kelvin, a déclaré Jeanloz.
"A ces températures et pressions, la physique sous-jacente change et la densité électronique change, ce qui fait que le potassium ressemble plus au fer", a déclaré Jeanloz. "A haute pression, le tableau périodique semble totalement différent."
«Les travaux de Lee et Jeanloz fournissent la première preuve que le potassium est en effet miscible dans le fer à des pressions élevées et, peut-être aussi de manière significative, il justifie davantage la physique informatique qui sous-tend la prédiction originale», a déclaré Bukowinski. «S'il peut être démontré davantage que le potassium pénètre dans le fer en quantités importantes en présence de minéraux silicatés, conditions représentatives des processus probables de formation du noyau, alors le potassium pourrait fournir la chaleur supplémentaire nécessaire pour expliquer pourquoi le noyau interne de la Terre n'a pas gelé jusqu'à aussi grande que l'histoire thermique du cœur le suggère. »
Jeanloz est enthousiasmé par le fait que les calculs théoriques expliquent désormais non seulement les résultats expérimentaux à haute pression, mais également la prévision des structures.
"Nous avons besoin de théoriciens pour identifier les problèmes intéressants, non seulement pour vérifier nos résultats après l'expérience", a-t-il déclaré. "Cela se produit maintenant. Au cours des six dernières années, les théoriciens ont fait des prédictions que les expérimentateurs sont prêts à consacrer quelques années à démontrer. »
Les travaux ont été financés par la National Science Foundation et le Department of Energy.
Source d'origine: communiqué de presse de l'Université de Berkeley
