Pourquoi le noyau terrestre est-il très chaud ?

[invite8742d654]

L'autre jour j'expliquais à mon fils de 6 ans qu'au centre de la terre, il y avait un noyau très chaud. Il m'a alors naturellement demandé s'il y avait un feu.
J'ai bien sûr dit non mais j'étais sec.

Pourquoi le centre de la terre est-il si chaud ?
Pourquoi le reste-t'il ?
J'ai vu que ds théories modernes supposent qu'ils y a des fissions mais ce qui les inquiète est le champ magnétique.
J'ai l'impression que "tout le monde" c'est pourquoi le centre de la terre est chaud sauf moi.

La gravité suffit-elle à engendrer des forces de pression et de frictions telles que la température au centre de la terre atteigne 5000 K ?

Aidez-moi ça me turlupine depuis qq temps
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[GillesH38a]

Il ya deux causes principales à la chaleur du noyau que tu mentionnes correctement : la radioactivité naturelle, et la sédimentation des éléments lourds dans le manteau, qui "tombent" vers le centre et chauffent en libérant l'énergie gravitationnelle. Les détails de la génération du champ magnétique sont mal compris, même si on pense que c'est "l'effet dynamo" qui en est responsable (un couplage entre champ et courants électriques dans l'intérieur de la Terre qui s'auto entretient grâce à sa rotation).

[invite75fca396]

Autre chose : le noyau de la terre reste chaud grâce à toutes les couches qu'il y a par dessus en particulier le manteau (d'ou son appellation). Tu dois considerer ces couches comme des couvertures: si tu te mets sous deux couvertures fines, tu as deja chaud!

[Sol-0]

C'est une très bonne question.
Moi, j'avais tendance à penser que le phénomène magmatique (le noyau terrsetre très chaud), se trouvant au coeur de le Terre était causé depuis l'age de l'accrétion originelle, au moment où le Soleil et les planètes se formaient dans le système solaire.
Je pensait que ce phénomène magmatique avait été causé par le même phénomène de fusion de matière s'éffondrant sur elle même, à l'instar des étoiles naissantes. Ceci déclanchant des réaction de fusion nucléaire mais à moindre échelle.
La Terre (comme toutes les autres planètes et lunes telluriques) se refroidissant au cours de son existance par son activité sismique et volcanique, son magma diminue peu à peu jusqu'à ce que elle n'ai plus d'activité interne.
Je ne suis pas sûr de ma réponse, donc à prendre avec des pincettes!

[A voir en vidéo sur Futura]

[JPL]

Non, le soleil n'est pas une étoile ! Donc la gravité ne peut entraîner aucun phénomène de fusion nucléaire. C'est la radioactivité naturelle (uranium en particulier) qui cause ce dégagement de chaleur.

[Rhedae]

Non, le soleil n'est pas une étoile !

Ah bon !

[Le_boulet]

Ah bon !

Je pense que JPL a fait un lapsus. Il devait sûrement parler de la terre ...

Ceci dit, j'ai de gros doutes sur cette histoire de radioactivité naturelle ! L'énergie dégagée par le peu de quantité d'uranium ou autres éléments "désintégrables" naturellement, ne serait pas suffisante.

Les mouvements de marées me semblent plus propices à expliquer le phénomène. En tous cas, elles entretiennent l'energie issue de la nébuleuse primitive. Ceci, couplé avec les effets de résonances gravitationnelles.

Voyez ce qui se passe sur certaines lunes de Jupiter (Titan), par exemple ...

Mais c'est une sacrée bonne question

[Sol-0]

C'est la radioactivité naturelle (uranium en particulier) qui cause ce dégagement de chaleur.

Ah bon c'est la radioactivité naturelle qui est à l'origine d'un magma en fusion?? Mais comment??!

P.S.:

Citation:
Posté par JPL
Non, le soleil n'est pas une étoile !



Ah bon !

Il s'est trompé! Il voulait dire "la Terre". C'est clair que le Soleil est une étoile, voyons!!

[JPL]

Je pense que JPL a fait un lapsus. Il devait sûrement parler de la terre ...

Bien sûr ! Je fatigue !!!

[Zeyss]

Faut y ajouter aussi :
l'energie cinétique accumulée lors de l'accretion de la Terre ... tout ces impacts ont fournis une energie
la cristallisation du noyau terrestre qui libére aussi de l'energie.


Enfin pour ma part et pour ce que je m en souviens :
1) Energie accumulée lors de la formation
2) Energie libére par la cristallisation du noyau
3) Fision nucléaire

Et la bonne nouvelle c'est que tout ça c'est pas éternel

[invité576543]

Ah bon c'est la radioactivité naturelle qui est à l'origine d'un magma en fusion?? Mais comment??!

Chaque désintégration dégage un peu d'énergie. La proportion de matériau radioactif est très faible, mais la Terre a un gros volume et une faible surface en proportion. Il faut donc très longtemps pour que la chaleur se dégage, et le résultat est une température élevée à l'intérieur.

Est-ce plus clairs?

Cordialement,

[Sol-0]

D'accord mais ça n'explique pas comment est arrivée toute cette quantité de chaleur

[invité576543]

D'accord mais ça n'explique pas comment est arrivée toute cette quantité de chaleur

C'est la chaleur due à la petite énergie dégagée par chaque désintégration.

Ce n'est pas clair?

Cordialement,

[JPL]

3) Fision nucléaire

Non. Ne pas confondre désintégration et fission !

[Zeyss]

Alors désintegration ...

[invite20c2353f]

Et qu'en est-il de la pression interne? Si je me souviens bien, plus la pression est élevée plus la température grimpe non? (mes cours de thermo sont loins...)

[Gilgamesh]

Osons la réponse détaillée

La puissance thermique de la Terre est de 43 à 44 TW (1 TW = 1000 milliard de watt). On prendra ce chiffre pour la suite des événement, ceci dit une étude + recente la donne plus proche de 36 TW.

Les contributeurs sont :

1/ la radioactivité...
a) du manteau primitif : 25 TW
nota : manteau primitif = manteau actuel + croûte
b) du noyau : 0-1 TW

2/ la libération de chaleur primordiale...
par refroidissement : 13,3 TW
par cristallisation du noyau (chaleur latente de solidification) : 2 TW
par liberation d'énergie gravitationnelle ('contraction' de la Terre résultant de la cristallisation) : 2,7 TW

Le refroidissement de la Terre (13,3 TW) est égal à M.C dT/dt

La masse M de la Terre étant de 6e24 kg et sa capacité calorifique C approx. de 1000 J/kg, on peut en conclure qu'elle refroidit au rythme actuel d'environ 70°C (T moyenne) par milliard d'années.

L'accroissement de la taille de la graine solide se calcul comme :

dR/dt = dM/(4pi.rho.r²)dt

avec r graine=1221 km, rho graine = 11t/m3, l'accroissement est donc de 500 km par milliard d'années. Ccl : elle n'est pas plus vieille que 2 Ga.



En ce qui concerne la puissance thermique on a vu que la radioactivité est le contributeur principal.

Elle a elle même pour sous-contributeurs 4 isotopes à très longue périodes.

dans ce qui suit
tau : demi-vie (en milliard d'année)
h0 : énergie libérére par kg d'isotope décomposé (TJ/kg)
C0 : concentration (1e-9 kg/kg)
H : contribution actuelle (en TW) / il y a 3 Ga

238U (uranium)
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tau : 4,47
h0 : 19
C0 : 25,5
H :9,6 / 15,2

235U (fils de 238U)
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tau : 0,704
h0 : 18,2
C0 : 0,19
H : 0,4 / 8,1

232Th (thorium)
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tau : 14
h0 : 17,1
C0 : 103
H : 11,1 / 12,9

40K (potassium)
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tau : 1,25
h0 : 0,158
C0 : 32,9
H : 3,7 / 19,4

On a pu noter l'insigne faiblesse de la radioactivité du noyau dû au fait que par le plus grand des hasard les 3 éléments chimiques (uranium, thorium et potassium) responsables de la radioactivité du globe sont litophile, c-a-d que lors d'une fusion du matériaux initial, ils sont peut soluble dans la phase fer.

In addition of that, lors d'une fusion du manteau pour former le magma, ils se retrouvent préférentiellement dans la phase liquide et s'accumulent donc dans le magma pour former la croûte terrestre (océanique ou continentale). Près de la moitié de la chaleur radiogénique est donc dégagée dans la croûte, ce qui explique que le gradient thermique de la Terre est beaucoup plus fort dans les 100 premiers km.


Sinon, en relisant la contribution qui ouvre le fil (réponse directe au jeune esprit qui interroge son popa) :

Au départ la Terre est chaude parce que les éléments qui la forment tombent sur le globe en formation. Qui dit chute, dit libération d'énergie gravitationnelle (de la même façon qu'un verre libere sont énergie de chute en se brisant au moment de toucher le sol). Entre les choc, la Terre a le temps de former une surface solide rocheuse très peu conductrice de chaleur : le globe serait bcp plus froid si c'était un globe métallique. En plus de cela, et dans la masse il integre des éléments radioactifs qui entretiennent continuellement l'apport de chaleur. Près de la moitié est aujourd'hui désintégrée, dans les premiers âge (Achéen) la chaleur radiogénique était du double de maintenant.


Au sujet de la relation température/profondeur : la centre est forcément plus froid que la surface (même si la surface dégage plus de chaleur) parce que dans l'équation de diffusion de la chaleur, en arrivant a la surface, elle est évacuée vers l'espace , en arrivant au centre, elle ne s'évacue nulle part, ou plus exactement elle repart vers l haut, si on préfère. Un coeur refroidit se réchaufferait forcément si la surface est plus chaude.

Enfin, la relation pression/température n'est exacte que pour les gaz parfait ce qui est (très) loin d'être le cas pour une Terre silicaté et metallique. Concretement une Terre au zero absolue, contrairement a un gaz de même volume initial, conserverait l'essentiel de son volume et la pression au centre resterait ce qu'elle est a peu de chose près.

vala, a+

[invite8742d654]

Merci pour ces explications.

Il y a un terme que je ne connais pas :

"par liberation d'énergie gravitationnelle ('contraction' de la Terre résultant de la cristallisation) : 2,7 TW"

C'est quoi ce truc ?

Sinon je n'ai pas bien compris :
L'apport d'énergie est d'environ : 25 + 1 + 2 + 2.7 = 30.7
La perte d'énergie est de 13.3 TW.

J'aimerais mieux comprendre en distinguant :
Energie emmagasinée = ?
Energie créée (radioactivité, machin gravitationnel, cristallisation, rayonnement solaire) = x1 + x2 + x3 + x4?
Energie perdue dans l'espace = ?


Une dernière question :
les frottements internes n'apportent-t'il pas une contribution significative d'énergie ?

Merci encore

[Le_boulet]

Merci pour ces explications.

Il y a un terme que je ne connais pas :

"par liberation d'énergie gravitationnelle ('contraction' de la Terre résultant de la cristallisation) : 2,7 TW"

C'est quoi ce truc ?

Sinon je n'ai pas bien compris :
L'apport d'énergie est d'environ : 25 + 1 + 2 + 2.7 = 30.7
La perte d'énergie est de 13.3 TW.

J'aimerais mieux comprendre en distinguant :
Energie emmagasinée = ?
Energie créée (radioactivité, machin gravitationnel, cristallisation, rayonnement solaire) = x1 + x2 + x3 + x4?
Energie perdue dans l'espace = ?


Une dernière question :
les frottements internes n'apportent-t'il pas une contribution significative d'énergie ?

Merci encore

Je m'associe (humblement) aux questions que pose Yannetos ...

Et j'en rajoute une: pourquoi n'observent-on pas les mêmes phénomènes sur Mars, la Lune ou Mercure ?? (Je ne parle pas de Vénus car on la connait moins bien dans sa structure interne)

[invité576543]

Bonjour,

Il y a un terme que je ne connais pas :

"par liberation d'énergie gravitationnelle ('contraction' de la Terre résultant de la cristallisation) : 2,7 TW"

C'est quoi ce truc ?

Le cristal solide est un peu plus dense que le liquide. La cristallisation au centre du noyau se traduit par une "descente" d'une partie du matériau (puisqu'il y a une masse plus grande dans le même volume). Ce qu'il y au-dessus va descendre aussi, à cause de la perte de volume: cela se perçoit comme une contraction de la Terre.

Quand quelque chose descend puis s'arrête, il a perdu de l'énergie gravitationnelle. Cette énergie a été cédée sous forme de chaleur par le frottement qui a ralenti et arrêté la descente.

Ainsi, la contraction de la partie qui se cristallise, contraction due à l'augmentation de la masse volumique, se traduit ainsi par de la chaleur en plus...

Cela répond-il à la question?

Cordialement,

[invité576543]

Sinon je n'ai pas bien compris :
L'apport d'énergie est d'environ : 25 + 1 + 2 + 2.7 = 30.7
La perte d'énergie est de 13.3 TW.

Il manque le terme de perte vers l'espace = 44 TW

J'aimerais mieux comprendre en distinguant :

Delta de l'énergie thermique emmagasinée = - 13.3 TW
Energie libérée ou reçue (radioactivité, machin gravitationnel, cristallisation, rayonnement solaire) = + 30.7 TW
Energie évacuée vers l'espace = -44 TW

Bilan comptable, delta stock = gain - perte : -13.3 = +30.7 - 44

Une dernière question :
les frottements internes n'apportent-t'il pas une contribution significative d'énergie ?

Ma compréhension: Les frottements sont des transferts d'énergie mouvement de convection -> chaleur, mais ils correspondent aux transferts chaleur -> mouvement de convection. Ca s'annule, et il est plus simple d'ignorer l'énergie des mouvements de convection (elle est incluse dans la chaleur...) et les transferts correcpondant...

Cordialement,

[Gilgamesh]

Oui tous les frottements sont convertis en chaleur. Mais pour être rigoureux frottement désigne un type de force et chaleur une énergie (c-a-d le travail d'une force)

Sinon je pense que mmy a éclairci à l'ensemble des interrogations mais n'hésitez pas s'il reste des points obscurs

a+

[Gilgamesh]

(...)
Au sujet de la relation température/profondeur : la centre est forcément plus froid que la surface (même si la surface dégage plus de chaleur) (...)

erratum
lire : plus chaud évidemment

[DonPanic]

Salut

il est plus simple d'ignorer l'énergie des mouvements de convection (elle est incluse dans la chaleur...) et les transferts correcpondant...

Padak du tout.
Amha, je pense que les mouvements de convections sont de l'énergie de chaleur convertie en énergie mécanique, ça se soustrait des apports caloriques.
et que comme on a un truc bien chaud dans un manteau fortement isolant,
les déperditions par rayonnement et conduction très faibles
ces mouvements de convection sont essentiels dans la dissipation d'énergie du système thermique Terre.


Il existe aussi une source d'énergie dans la migration des éléments denses vers le bas.
Cette différenciation densitaire est légèrement exothermique et tend à ajouter du couple au système

[DonPanic]

Salut

Les détails de la génération du champ magnétique sont mal compris, même si on pense que c'est "l'effet dynamo" qui en est responsable (un couplage entre champ et courants électriques dans l'intérieur de la Terre qui s'auto entretient grâce à sa rotation).

Cette différenciation densitaire est légèrement exothermique et tend à ajouter du couple au système

C'est pas tant la rotation que les variations de vitesse de rotation des couches noyau liquide, noyau solide
qui seraient impliqués dans le champ magnétique terrestre et ses fluctuations ?

[invité576543]

Salut

Padak du tout.
Amha, je pense que les mouvements de convections sont de l'énergie de chaleur convertie en énergie mécanique, ça se soustrait des apports caloriques.

Pourquoi padak? J'ai écrit la même chose ou presque!

J'ai juste rajouté, ce qui est nécessaire pour être complet que les frottements ne sont pas à compter parce qu'il restituent l'énergie convertie en énergie mécanique.

Cordialement,

[invité576543]

ces mouvements de convection sont essentiels dans la dissipation d'énergie du système thermique Terre.

Personne n'a dit le contraire sur ce fil.

La question était le bilan thermique. Si tu veux proposer le bilan en ajoutant l'énergie mécanique, ne te gênes pas. Ca affinera le modèle, même si ça ne changera pas les grandes lignes de ce que Gilgamesh a proposé. Et ça éclairera mon poste sur les transferts entre convection et chaleur...

Cordialement,

[DonPanic]

La question était le bilan thermique. Si tu veux proposer le bilan en ajoutant l'énergie mécanique, ne te gênes pas. Ca affinera le modèle, même si ça ne changera pas les grandes lignes de ce que Gilgamesh a proposé. Et ça éclairera mon poste sur les transferts entre convection et chaleur...

C'est ça qui m'étonne :

Il manque le terme de perte vers l'espace = 44 TW

http://www.astrosurf.org/lombry/meteo-temperature.htm

Le transfert de chaleur de l'intérieur de la Terre vers la surface est pratiquement nul (exception faites sur les points chauds volcaniques), les roches basaltiques constituant l'écorce terrestre étant mauvaises conductrices de la chaleur.

De ce qui précède, qui laisse entendre que la machinerie interne fonctionne comme un système thermique pratiquement fermé, l'energie thermique y est dissipée quasiment en totalité en mouvements convectifs, non ?
Le bilan radiatif de la Terre ne semble être modélisé qu'à partir de l'énergie reçue du Soleil, l'apport de chaleur interne ne semblant pas suffisant pour être jugé significatif dans ce bilan

[invité576543]

De ce qui précède, qui laisse entendre que la machinerie interne fonctionne comme un système thermique pratiquement fermé, l'energie thermique y est dissipée quasiment en totalité en mouvements convectifs, non ?

J'ai juste repris les chiffres de Gilgamesh... 44 TW, cela fait, sauf erreur , 0.08 W par m², ce qui est négligeable devant le bilan thermique de l'atmosphère même. Ma compréhension est que l'énergie est dissipée entièrement par l'émission en surface, masquée par la thermique atmosphérique.

Le mouvement convectif ne dissipe pas l'énergie, toujours dans ma compréhension, il la transporte de l'intérieur vers la surface, ou elle est dissippée (par conduction, par séismes dont l'énergie est transformée in fine en chaleur, par les laves et gaz qui chauffent l'atmosphère.

A titre de comparison, le pétrole, et se basant sur 3.5 milliards de tonnes par an, et 11 kJ par gramme, ça fait 1.2 TW...

Le bilan radiatif de la Terre ne semble être modélisé qu'à partir de l'énergie reçue du Soleil, l'apport de chaleur interne ne semblant pas suffisant pour être jugé significatif dans ce bilan

Tout à fait, 0.08 W/m² contre quelque chose comme 300 W/m²... Ou encore, 44 TW contre 130 000 TW... A la louche...

Cordialement,

[invite06fcc10b]

Bonjour,
Le cristal solide est un peu plus dense que le liquide. La cristallisation au centre du noyau se traduit par une "descente" d'une partie du matériau (puisqu'il y a une masse plus grande dans le même volume). Ce qu'il y au-dessus va descendre aussi, à cause de la perte de volume: cela se perçoit comme une contraction de la Terre.

Intéressant, je ne savais pas que le noyau s'était durci. Quelqu'un peut-il me dire à combien on estime la contraction de la Terre (en mètres), disons pour les dernières 100 millions d'années ?

Quand quelque chose descend puis s'arrête, il a perdu de l'énergie gravitationnelle. Cette énergie a été cédée sous forme de chaleur par le frottement qui a ralenti et arrêté la descente.

Le terme "perdu" me surprend un peu, car l'énergie se transforme mais ne se perd pas (je chipote).
En revanche, quel est le taux de conversion de cette énergie en chaleur ? En général, lorsqu'un objet tombe dans l'eau, il y a un peu de chaleur dégagé, mais il y a surtout de l'énergie cinétique donnée aux molécules d'eau avec formation d'une petite vague. Autrement dit, l'énergie gravitationnelle serait essentiellement convertie en mouvements du magma plutôt qu'en chaleur, non ?