Les atomes de fer dans le noyau interne de la Terre sont en mouvement – ​​Physics World

Les atomes de fer dans le noyau interne de la Terre sont en mouvement – ​​Physics World

Horodatage: 29 novembre 2023, 9 h 00

Graphique montrant des groupes d'atomes de fer se déplaçant rapidement dans un système modèle, changeant de place dans le réseau métallique tout en conservant sa structure hexagonale globale
Un modèle d’atomes de fer en mouvement dans le noyau interne de la Terre. Le modèle montre comment les atomes de fer devraient se déplacer dans le noyau interne de la Terre en 10 picosecondes, soit 10 billionièmes de seconde. (Avec l'aimable autorisation de Zhang et al.)

Les atomes de fer au centre de la Terre se déplacent beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant, affirment des chercheurs américains et chinois. Les résultats, basés sur des simulations des conditions du noyau interne solide de la Terre assistées par apprentissage automatique, pourraient apporter un nouvel éclairage sur les propriétés sismiques et géodynamiques du noyau, qui ne sont pas entièrement comprises.

Le noyau interne de la Terre est principalement composé de fer solide et présente plusieurs caractéristiques intrigantes. D’une part, la vitesse des ondes de cisaillement – ​​des ondes élastiques qui se déplacent à travers le corps d’un matériau – dans le noyau est exceptionnellement faible. Le noyau a également un coefficient de Poisson extrêmement élevé, qui mesure la facilité avec laquelle il se dilate dans une direction perpendiculaire à la direction de compression ; à 0.45, le coefficient de Poisson du noyau est plus proche de celui d'un liquide ou d'un matériau extensible tel que le caoutchouc (0.5) que de celui de l'acier ou de la fonte (0.21-0.31).

Approche assistée par l’intelligence artificielle

Pour découvrir les mécanismes physiques responsables de ces caractéristiques inhabituelles, des chercheurs dirigés par Jung Fu Lin au Université du Texas à l'École des géosciences d'Austin a commencé par utiliser des calculs d’apprentissage automatique pour simuler le comportement de dizaines de milliers d’atomes de fer sous les températures et pressions extrêmement élevées qui règnent dans le noyau interne. Cette approche assistée par l’intelligence artificielle leur a permis de prédire de manière fiable le mouvement des atomes de fer dans ces conditions.

Ensuite, ils ont corroboré ces simulations par une série d’expériences qui ont recréé les températures et pressions extrêmement élevées du noyau interne de la Terre. En tirant un projectile rapide sur une petite plaque de fer et en mesurant les ondes de choc résultantes, ils ont pu calculer la vitesse du son dans les atomes de fer dans des conditions internes.

Mouvement collectif des atomes de fer

Bien que l'on pense que les atomes de fer dans le noyau interne sont disposés selon un motif hexagonal serré et répétitif, les chercheurs ont découvert que des groupes d'atomes de fer dans leurs systèmes modèles peuvent toujours se déplacer rapidement, changeant de place dans le réseau métallique tout en conservant l'ensemble hexagonal. structure. Selon l’équipe, ce mouvement collectif pourrait expliquer pourquoi les mesures sismiques du noyau interne révèlent un environnement avec une vitesse d’onde de cisaillement beaucoup plus faible et un coefficient de Poisson plus élevé que ce à quoi on pourrait s’attendre à des températures et des pressions aussi élevées.

"La grande découverte que nous avons découverte est que le fer solide devient étonnamment mou au plus profond de la Terre, car ses atomes peuvent se déplacer bien plus que nous ne l'aurions jamais imaginé", explique un membre de l'équipe. Youjun Zhang de l'Université du Sichuan. "Ce mouvement accru rend le noyau interne moins rigide [et] plus faible face aux forces de cisaillement."

En plus d'expliquer la vitesse exceptionnellement faible des ondes de cisaillement et le coefficient de Poisson ultra élevé du noyau interne, le résultat, décrit dans PNAS, pourrait également faire la lumière sur la façon dont le noyau interne contribue à alimenter la géodynamo de la Terre. L’énergie de cette dynamo génère le champ magnétique de notre planète – un élément essentiel pour la rendre habitable, car elle protège la vie des rayonnements ionisants nocifs dans l’espace.

Les chercheurs envisagent désormais d’étendre leur étude aux intérieurs exoplanétaires récemment découverts. "Nous visons également à étudier l'effet du mouvement collectif des atomes sur une série d'autres propriétés essentielles à notre compréhension des profondeurs de la Terre", explique Lin. Monde de la physique.

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