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LA CHALEUR INTERNE
DE LA TERRE
Publication qui fait suite à une question posée par un internaute :
Est-ce-que la chaleur interne de la Terre participe au réchauffement de la planète ?
La réponse est ni OUI, ni NON ! (je ne suis pas normand)
Elle participe pour un quantité infime et négligeable, soit moins de 0,01% !
Qu’est-ce que le bilan radiatif de la Terre ?
La réponse de Robert Kandel diplômé de l’université de Harvard, directeur de recherche honoraire au CNRS (Laboratoire de météorologie dynamique) et de Serge Planton ingénieur général des ponts, des eaux et des forêts à la retraite. Il a exercé pendant une vingtaine d’années la responsabilité du groupe de recherche climatique au Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM, Météo-France/CNRS).
Les lois de conservation de masse et d’énergie s’appliquent à la planète Terre comme à tout système physique. Pour la Terre, la quasi-totalité des échanges d’énergie avec son environnement cosmique est constituée par des échanges radiatifs : rayonnement reçu du Soleil (dans les domaines de longueurs d’onde de la lumière visible, de l’infrarouge proche et de l’ultraviolet) et rayonnement thermique émis par la Terre (dans l’infrarouge moyen). Le bilan radiatif de la Terre peut se comprendre comme un bilan global d’énergie, proche de zéro puisque la planète n’est pas très loin de l’équilibre. Le bilan des gains et des pertes d’énergie s’écrit :
Bilan global net = rayonnement solaire absorbé + production interne de chaleur – rayonnement infrarouge thermique émis vers l’espace
Il faut aussi noter que la production de chaleur par radioactivité naturelle à l’intérieur de la Terre est très faible (environ 0,1 watt par mètre carré) par comparaison avec les flux radiatifs absorbés ou émis par la planète (239 W • m–2). Quant à la production d’énergie non renouvelable par les activités humaines, elle est négligeable, même si elle produit des îlots de chaleur dans les grandes villes.
Pour bien comprendre étudions ce qu'est la chaleur interne de la planète.
Il y a quelques milliers d’années déjà, en creusant des mines l’Homme s’est aperçu qu’avec la profondeur la température augmentait. A partir de cette constatation des bienpensants en déduisirent que les enfers se trouvaient au centre de la Terre et que les démons en sortaient par la bouche des volcans à travers le feu et le soufre qui devint par conséquent une matière démoniaque issue du souffle des démons.
On en déduisit aussi que la croute était une couche de roche et de terre flottant sur la lave que l’on appela plus tard magma. En raccourci, une boule de magma liquide recouverte d’une fine couche solide. Ce qui se révelera faux car la croûte ne flotte pas sur un manteau liquide mais visqueux. (Viscosité presque dure, 100 000 000 000 000 000 000 Pa.s alors que l'huile de table est de 1 Pa.s.)
La Terre chauffe.
On sait que la température intérieure augmente de 30°C par 100 mètres quand on s’enfonce dans la croûte terrestre. À 30 km de profondeur, elle atteint 900 degrés ; en son centre, on l’estime entre 5 et 6 000 ℃. Les éruptions volcaniques, les sources chaudes, et les geysers, sont les signes d’une chaleur interne.
Je ne reviendrais pas sur ce que j’ai publié sur la page structure de la Terre mais je vais développer la réponse à la question :
« D’où vient cette chaleur interne ? »
Elle a plusieurs origines qui ont été découverte à des époques différentes au long des progrès de la science.
1 - L’énergie cinétique primitive accumulée lors de la formation du système solaire et de la Terre.
Il y a 4,543 milliards d’années, lors de sa formation, la terre n’était qu’un vague nuage de gaz, de poussières et de débris cosmiques qui se sont " accrétionnés " (agglomérés) durant environ 100 000 ans, sous l’effet de la gravitation. Ce qui provoquât une très forte énergie cinétique.
La chaleur dégagée a façonné des blocs visqueux d’éléments en fusion, qui sous la gravité vont former une sphère, un planétoïde grossissant dans lequel les éléments chimiques vont se différencier, les plus lourds migrants vers le centre. La planète ainsi formée après avoir reçue une importante quantité de matière supplémentaire lors de la collision avec le planétoïde Théia, va se refroidir lentement en surface en perdant de la chaleur mais la croûte ainsi formée va ralentir le refroidissement interne et jusqu’à notre époque actuelle une très importante quantité de chaleur résiduelle demeure donc encore présente se dissipant très lentement.
2 – La cristallisation des éléments lourds du noyau.
Le noyau terrestre est composé principalement de fer (79%), il se divise en deux parties concentriques, noyau externe, l’enveloppe, qui est liquide et le noyau interne ou graine, solide, qui lui, est composé de fer et nickel.
Le refroidissement global de la Terre provoque la cristallisation du métal liquide qui l’entoure, sur la surface du noyau interne, cette cristallisation est exothermique, elle dégage de la chaleur, qui va cristalliser le métal liquide du noyau externe sur la surface de la graine, cette chaleur va entretenir les mouvements de convection thermiques.
L'énergie dégagée par la lente cristallisation du métal sur la graine, fournit une puissance estimée à 1 TW.
Cette cristallisation fait grossir la graine à une vitesse très faible de l’ordre de 0.3 à 0.03 millimètres par an, ce qui rassurera les pessimistes.
[Morphologie de l’interface grain-noyau liquide, Renaud Deguen.]
3 – L’énergie gravitationnelle.
Le noyau externe est donc composé de fer et de nickel qui s’enfoncent par gravité vers le centre, mais il y a aussi d’autres éléments plus léger comme le silicium, le soufre, l’oxygène etc. qui vont être expulsés en raison de leur différence de densité, et donc remonter. Ces mouvements vont entrainer la convection gravitationnelle, d’où la remonté de la chaleur.
L'énergie dégagée par la gravitation, fournit une puissance estimée à 1 TW.
Le mouvement de convection thermique dans le noyau supérieur se transmettra par la suite au manteau inférieur.
4 – La radioactivité due à la désintégration de radio-isotopes.
Au moins 50% de l’énergie interne de la terre provient de la désintégration d’éléments radioactifs à période longue tels que l’uranium, le thorium ou le potassium.
Concernant la radioactivité globale de la terre, on peut dire qu’elle représente environ 76% de l’énergie interne.
Dans le manteau, l’uranium, 238U se décompose en plomb, 206Pb, et l’uranium 235U en plomb 207Pb, avec des périodes respectives de 4.5Ga et 0.71Ga.
Quant au thorium, 232K, il se transforme en plomb 208Pb alors que le potassium, 40K, devient du carbone, 40Ca ou parfois en argon 40Ar.
Ainsi, pour résumer on peut dire que quatre éléments principaux sont responsables du dégagement de chaleur par radioactivité à savoir l’uranium 235 et 238, le potassium 40 et le thorium 232.
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Et avec le temps, que se passe t-il ?
Plus le temps passe, moins il reste d’éléments radioactifs dans la Terre, car ceux-ci se décomposent au fur et à mesure que la planète vieillit.
Sur le schéma ci-dessous, on voit bien que par rapport à ses débuts, il y a 4,5 Ga, le nombre d’éléments responsables du dégagement de chaleur par radioactivité a diminué, et plus la durée de vie d’un élément est courte, plus celui-ci disparait rapidement : c’est le cas par exemple de l’Uranium 235 qui est aujourd’hui responsable d’une plus petite part de la chaleur dégagée par rapport à l’uranium 238, alors qu’il y a 4 Ga, cela était l’inverse. En effet, la période (anciennement 1/2 vie, voir le lexique en fin d'article) de l’Uranium 235 n’est que de 700 Ma, alors que celle de l’uranium 238 est de 4.5 Ga, donc se dernier met plus de temps à se désintégrer.
Pour le thorium dont la période est de 14,05 milliards d'années sa puissance thermique survivra à notre planète, qui disparaîtra quand notre soleil deviendra un géante rouge, dans 5 Ga.
Lexique :
La "Période" (trop) souvent appelée demi-vie.
Par définition, c'est le temps qu'il faut pour que la moitié de l'isotope instable soit décomposé en sous-produits.
Après une période, une moitié de l'élément instable a été décomposée, après une seconde période il ne restera que le quart, après la troisième période, il reste un huitième et ainsi de suite selon une décroissance exponentielle qui suit les puissances inverses de 2. Dix périodes, réduisent l'élément à moins du millième, très exactement à 1/1024.
Le terme demi-vie est à éviter il tend à imaginer qu'après 2 demi-vies il ne restera plus rien.
La période de l'uranium 238 est de 4,5 Ga (milliard d'années), celle du radium 226 =1 600 année, le cobalt 60= 5 ans, l'iode 131=8 jours, on voit ici que tous les éléments instables ont des périodes extrêmement variables.
La répartition du flux géothermique à la surface du globe est inégale.
