Dynamique interne de la Terre

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1 Dynamique interne de la Terre

2 Les couches terrestres J G H I Compartiments inférieurs? A, B et C F E D Compartiment médian? D, E et F Compartiment supérieur? G, H, I et J C B A

3 Les couches terrestres Compartiments inférieurs? Noyau interne, noyau externe, manteau inférieur Compartiment médian? Manteau supérieur, asthénosphère, lithosphère Compartiment supérieur? Croûte océanique, sédiments, croûte continentale, hydrosphère

4 Dynamique du manteau 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation: Croûte terrestre: T augmente de 30 C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur)? Est-ce plausible? Température à l interface: Ti Température en surface: Ts Profondeur de l interface: zi

5 Dynamique du manteau 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation: Croûte terrestre: T augmente de 30 C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur)? Est-ce plausible? Température à l interface: Ti Température en surface: Ts Profondeur de l interface: zi Ti= Ts + dt dz zi

6 Dynamique du manteau 1) Evolution de la température avec la profondeur Observation: Croûte terrestre: T augmente de 30 C par km. Avec un tel gradient géothermique, quelle serait la température à l interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à 660 km de profondeur)? Est-ce plausible? Température à l interface: Ti Température en surface: Ts Profondeur de l interface: zi Ti= Ts + dt dz zi Ti= *660= C Que se passerait-il si on portait de la péridotite à une telle température?

7 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection CONDUCTION CONVECTION Milieu Mécanisme Conditions de fonctionnement Efficacité

8 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection CONDUCTION CONVECTION Milieu Bons conducteurs? Isolants? Capable de se mouvoir Mécanisme Conditions de fonctionnement Qu est-ce que la chaleur? Comment se propage-telle? Favorise la conduction? Quel est le rôle du mouvement? Favorise la convection? Efficacité: Qui transporte le plus de chaleur?

9 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection CONDUCTION CONVECTION Milieu Solide, liquide, et gazeux. (métaux= meilleurs conducteurs) Solide, liquide et gazeux. (un solide peut se déformer!) Mécanisme Température= agitation des molécules Transfert d énergie («d agitation») d une molécule à sa voisine Déplacement en bloc de molécules à forte agitation. Conditions de fonctionnement +Conductivité -Epaisseur (double vitrage) «Flexibilité» du milieu -Viscosité (Goudron>Miel>Huile>Eau) Efficacité: Qui transporte le plus de chaleur?

10 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection Tracer le profil de température pour chaque boîte Comment évolue la température dans le premier cas? Dans le deuxième? Que dire par rapport à la question1?

11 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection Tracer le profil de température pour chaque boîte Comment évolue la température dans le premier cas? Dans le deuxième? Que dire par rapport à la question1?

12 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection Tracer le profil de température pour chaque boîte Comment évolue la température dans le premier cas? Dans le deuxième? Que dire par rapport à la question1?

13 Dynamique du manteau 2) Comparaison entre conduction et convection Que dire par rapport à la question1? Dans la Terre, la température n augmente pas régulièrement Schéma de Pierre Thomas Preuves minéralogiques

14 Les couches terrestres Mode de transport principal? Atmosphère Hydrosphère Croûte Lithosphère Asthénosphère Manteau inférieur Noyau externe Noyau interne

15 Les couches terrestres Mode de transport principal? Atmosphère Hydrosphère Croûte Lithosphère CONVECTION CONDUCTION Asthénosphère Manteau inférieur Noyaux externe Noyau interne CONVECTION CONVECTION CONDUCTION

16 Dynamique du manteau Dans la boîte en convection (à droite), localise le courant froid et le courant chaud. Toujours dans la même boîte, qui est une simulation numérique, identifie les zones qui pourraient correspondre dans le manteau de la Terre ou des planètes à un panache de point chaud et à une zone de subduction

17 Dynamique du manteau Dans la boîte en convection (à droite), localise le courant froid et le courant chaud. Toujours dans la même boîte, qui est une simulation numérique, identifie les zones qui pourraient correspondre dans le manteau de la Terre ou des planètes à un panache de point chaud et à une zone de subduction

18 Dynamique du manteau Dans la boîte en convection (à droite), localise le courant froid et le courant chaud. Toujours dans la même boîte, qui est une simulation numérique, identifie les zones qui pourraient correspondre dans le manteau de la Terre ou des planètes à un panache de point chaud et à une zone de subduction

19 Dynamique du manteau Pourquoi les plaques lithosphériques passent-elles nécessairement en subduction au-delà d un certain âge?

20 Dynamique du manteau La proportion de roche mantellique dans la lithosphère augmente, donc la densité de la lithosphère augmente (et devient supérieure à celle de l asthénosphère).

21 Dynamique du manteau Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante?

22 Dynamique du manteau Quelles sont les forces exercées sur la plaque plongeante? A f P Le poids P: vertical, orienté vers le bas. La poussée d Archimède A: verticale, orientée vers le haut. Les frottements f: force verticale, opposée au mouvement.

23 Dynamique du manteau Donner l expression de P et A en fonction du volume V li de la lithosphère plongeante, de la densité li de la lithosphère et de la densité as de l asthénosphère. A f P Le poids P: vertical, orienté vers le bas. La poussée d Archimède A: verticale, orientée vers le haut. Les frottements f: force verticale, opposée au mouvement.

24 Dynamique du manteau Donner l expression de P et A en fonction du volume V li de la lithosphère plongeante, de la densité li de la lithosphère et de la densité as de l asthénosphère. P = m g P = ρ li V li g A P f A = ρ as V li g f = 2μ v L Le poids P: vertical, orienté vers le bas. La poussée d Archimède A: verticale, orientée vers le haut. Les frottements f: force verticale, opposée au mouvement.

25 Dynamique du manteau Donnez des ordres de grandeurs de h (épaisseur du manteau), de L (longueur de côtes en subduction), et de e (épaisseur de la lithosphère qui plonge). En déduire la valeur de la force B = P A: B = P A = P = m g P = ρ li V li g A P f A = ρ as V li g f = 2μ v L

26 Dynamique du manteau Donnez des ordres de grandeurs de h (épaisseur du manteau), de L (longueur des côtes en subduction), et de e (épaisseur de la lithosphère qui plonge). En déduire la valeur de la force B = P A: B = P A =ρ li V li g ρ as V li g = (ρ li ρ as ) Vli g B= ( li - as ) x hel x g = 60 x x x x 9,81 = 9, N A P f h = 660 km ou 2900 km selon qu on fait l hypothèse que les plaques s arrêtent à la limite manteau sup - manteau inf ou bien qu elles atteignent la limite manteau - noyau. Les 2 types existent probablement. e = 100 km l = km ou km, environ la même longueur que les

27 Dynamique du manteau A partir de la formule fournie pour les frottements, retrouvez l unité de μ. f = 2μ v L

28 Dynamique du manteau A partir de la formule fournie pour les frottements, retrouvez l unité de μ. f = 2μ v L N m/s m Donc la viscosité µ s exprime en N/m 2 s. Ou encore: µ s exprime en Pa s.

29 Dynamique du manteau En faisant l hypothèse qu il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité µ. P = m g P = ρ li V li g A P f A = ρ as V li g f = 2μ v L

30 Dynamique du manteau En faisant l hypothèse qu il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité µ. P= A+f donc P-A= f. (ρ li ρ as ) Vli g = 2 μvl (ρ li ρ as ) hel g = 2 μvl μ = (ρ li ρ as ) he g 2 v P = m g P = ρ li V li g A P f A = ρ as V li g f = 2μ v L

31 Dynamique du manteau En faisant l hypothèse qu il y a équilibre des forces, calculez la valeur de la viscosité µ. P= A+f donc P-A= f. (ρ li ρ as ) Vli g = 2 μvl h = 2900 km et e = 100 km (ρ li ρ as ) hel g = 2 μvl μ = (ρ li ρ as ) he g 2 v μ = ,81 2 ( ) V en cm/an à transformer en m/s : 5 cm/an m en 1 an= s x m en 1 s? μ = 5, Pa s 1an= 365 jours x24 heures x3600 s = s

32 Dynamique du noyau Quelles seraient les conséquences biologiques d une Terre sans champ magnétique?

33 Dynamique du noyau Quelles seraient les conséquences biologiques d une Terre sans champ magnétique? Le champ magnétique empêche le vent solaire (particules chargées) d atteindre la surface de la planète. Protons, électrons et noyaux d Hélium.

34 Dynamique du noyau Quelles seraient les conséquences biologiques d une Terre sans champ magnétique? Ces particules chargées (protons, électrons, noyaux d He) sont les mêmes que celles qui se forment par décroissance radioactive. Elles ont donc le même effet délétère sur les organismes: en particulier elles peuvent endommager gravement l ADN. En fonction de l intensité du rayonnement, ce vent solaire peut donc provoquer des tumeurs, cancers, ou même la mort.

35 Dynamique du noyau Quelles seraient les conséquences biologiques d une Terre sans champ magnétique? Les animaux qui utilisent le champ magnétique pour s orienter ne pourraient plus retrouver leur route (oiseaux )

36 Dynamique du noyau 2. Est-ce qu un aimant peut être à l origine du champ magnétique terrestre, sachant que les aimants perdent leurs propriétés magnétiques à une température maximale qu on appelle la température de Curie et qui est toujours inférieure à 1000 C?

37 Dynamique du noyau 2. Est-ce qu un aimant peut être à l origine du champ magnétique terrestre, sachant que les aimants perdent leurs propriétés magnétiques à une température maximale qu on appelle la température de Curie et qui est toujours inférieure à 1000 C? La température dans le noyau varie de 3000 à 5000K. Donc tout aimant y perdrait ses propriétés magnétiques. Donc ce n est pas un aimant «géant» qui produit le champ magnétique terrestre.

38 Dynamique du noyau Complément: fabrication d un aimant I I B = Bo + μom Bo 1) La circulation d un courant (I) génère un champ magnétique (Bo). 2) Un matériau plongé dans un champ magnétique acquiert une AIMANTATION (M) et celle-ci s ajoute au champ initial pour donner le champ total (B). 3) Les minéraux ferro-magnétiques conservent cette aimantation même si le champ initial disparaît (si on coupe le générateur). SAUF si on soumet ce minéral à une forte température/ à un fort champ magnétique.

39 3. Qu est-ce qu une dynamo? Dynamique du noyau

40 Dynamique du noyau 3. Qu est-ce qu une dynamo? But: La dynamo transforme de l énergie mécanique en énergie électrique. Mécanisme: le mouvement fait tourner un aimant, et le champ magnétique local change, ce qui génère un courant électrique dans la bobine.

41 Dynamique du noyau 3. Qu est-ce qu une dynamo? N AIMANT S Bobine Si on approche un élément d une bobine des électrons se mettent en mouvement. Si on le recule, le mouvement change de sens. Plus on le déplace vite, plus l intensité est forte. Variation du champ magnétique + Matériau conducteur Courant électrique

42 Dynamique du noyau 3. Qu est-ce qu une dynamo? N AIMANT S Bobine Si on approche un élément d une bobine des électrons se mettent en mouvement. Si on le recule, le mouvement change de sens. Plus on le déplace vite, plus l intensité est forte. Variation du champ magnétique + Matériau conducteur Courant électrique Si on déplace la bobine plutôt que l aimant, le résultat est le même!!! Champ magnétique constant + Mouvement d un matériau conducteur Courant électrique

43 Dynamique du noyau 3bis. Quel est l état de la matière dans le noyau terrestre? Quelle partie du noyau terrestre peut être responsable du champ magnétique terrestre?

44 Dynamique du noyau 3bis. Quel est l état de la matière dans le noyau terrestre? Quelle partie du noyau terrestre peut être responsable du champ magnétique terrestre? Le noyau externe est liquide, et le noyau interne solide. Il est plus probable que le noyau externe soit responsable du champ magnétique terrestre. En effet la convection permet de mettre en mouvement le fer liquide.

45 Dynamique du noyau 3bis. Dynamo terrestre. + Champ magnétique constant + Mouvement d un matériau conducteur Champ magnétique induit Courant électrique La dynamo terrestre: Si on suppose qu il existe un champ magnétique initial: On a un matériau conducteur, le fer, qui est mis en mouvement par la convection dans le noyau externe. Ceci génère un courant électrique. Tout courant électrique génère un champ magnétique: celui-ci va s additionner au champ précédent et le renforcer. Comme la convection continue, on a en permanence génération de courant électrique, et en permanence le champ magnétique total se renforce.

46 Dynamique du noyau 3bis. Dynamo terrestre. + Champ magnétique constant + Mouvement d un matériau conducteur Champ magnétique induit Courant électrique La dynamo terrestre: Grâce à ce modèle on montre que: Le champ magnétique de la Terre est autoentretenu: s il existe, alors forcément il se maintient et se renforce. Comment est-il apparu? Le champ initial est peut-être le champ magnétique solaire ou peut-être issu du chaos et du hasard (un petit champ qui a pris le pas sur les autres). Sa puissance devrait sans cesse augmenter!! Il existe une résistance qui limite le mouvement des électrons.

47 Dynamique du noyau 3bis. Dynamo terrestre. + Champ magnétique constant + Mouvement d un matériau conducteur Champ magnétique induit Courant électrique On dispose de cartes de la surface du noyau externe où on voit de grands «tourbillons» avec des vitesses typiques. Ce qu'on connaît de la convection dans une sphère en rotation rapide conduit à penser que ces mouvements peuvent être prolongés dans tout le volume du noyau, formant des sortes de colonnes d'axe parallèle à l'axe de rotation de la Terre.

48 Dynamique du noyau 3ter. Essayons d estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35 dans une direction puis de 36 dans l autre direction. jusqu à aujourd hui. - Dessine le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. - Calcule la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau.

49 Dynamique du noyau 3ter. Essayons d estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35 dans une direction puis de 36 dans l autre direction. - Dessine le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. - Calcule la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau.

50 Dynamique du noyau 3ter. Essayons d estimer la vitesse de convection dans le noyau terrestre externe. On peut pour cela utiliser le déplacement historique du pôle magnétique par rapport au pôle géographique. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35 dans une direction puis de 36 dans l autre direction. - Dessine le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyaumanteau. - Calcule la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau. Vitesse angulaire: ω = θ1+θ2 t2 t1 = = 0,29 /an Conversion en radians: ω = 0,29 π 180 = 5,01 rad/an

51 Dynamique du noyau 3ter. Entre 1576 et 1823, le pôle magnétique a dérivé de 35 dans une direction puis de 36 dans l autre direction. - Dessine le mouvement correspondant sur une coupe de la Terre, en y reportant la limite noyau-manteau. - Calcule la vitesse de déplacement du pôle magnétique à la limite noyau-manteau (R-Rn car Rn est ici la profondeur de la limite et pas son rayon en partant du centre de la Terre). Vitesse angulaire: ω = θ1+θ2 t2 t1 = = 0,29 /an Rn=2900 Conversion en radians: ω = 0,29 π 180 = 5,01x 10-3 rad/an Vitesse linéaire: v= ω R= 5,01x 10-3 x ( ) x10 3 = 17,5 km/an. R - Rn R=6400

52 Comparaisons Vitesse linéaire: v= ω R= 5,01x 10-3 x ( ) x10 3 = 17,5 km/an.