Modèles de Terre thermiques - Espace d`authentification univ

Modèles de Terre thermiques
Comment la chaleur est le moteur
de la Terre!
Manifestations énergétiques
• Pour obtenir un modèle thermique de Terre il faut connaître
les sources d’énergie
• L’énergie est dissipée de différentes manières
• Les séismes:
• les ondes sismiques des séismes: portent une partie de
l’énergie du séisme, pas les effets de friction par ex.
borne minimale. Les plus grands séismes (chili 1960,
Sumatra 2004) atteignent 1019-1020J.
• Faible fréquence, énergie totale faible, puissance
moyenne du globe 3.1011 W
• Les éruptions:
• Energie dégagée considérable de l’ordre de 1015-1016J
pour les plus violentes (Mt St Helens 1980, Tambora
1815)
Bilan énergétique
• Mêmes si spectaculaires, ces manifestations ne représentent
que 1% du bilan énergétique de la Terre.
• L’essentiel de l’énergie est dissipée comme la chaleur rayonnée
dans l’espace
• Cette chaleur arrive en surface par conduction à travers la
croûte (gradient de 30°C/km) et par l ’émission de laves le long
des dorsales.
• Le flux de chaleur moyen est 80mW/m2 (surface de la Terre =
5,1.1014 m2.
• Chaleur totale dissipée= ~4 1013W, beaucoup mais peu
comparée à celle reçue du soleil ~7 1017W qui génère toutes les
manifestations externes (météo, altération etc)
• « la Terre construit les montagnes, le soleil les détruit! »
Sources d’énergie
• Chaleur primitive et chaleur produite
• Chaleur primitive essentiellement gravitationnelle due à la
dissipation d’énergie potentielle au cours de l’accrétion
par attraction gravitationnelle.
• Energie considérable des impacts qui engendre la
différenciation des planètes entre noyau et manteau
• Chutes des gouttes de fer vers le centre de la Terre libère
aussi de l’énergie potentielle
• Désintégrations éteintes comme 26Al (700ka)
• Aujourd’hui (estimation difficile) on considère que la
chaleur primitive = 20% de la chaleur dissipée
Sources d’énergie
•
•
•
•
80%: désintégration radioactive de 3 éléments: U, Th et K dans la croûte et
le manteau
238U(4,5 109a) et 235U (710 106a) produisent ~ 10 13W (chaînes de
désintégration)
232Th (14 109a) ~10 13W aussi (3 à 4 x plus abondant que U) (chaîne de
désintégration)
40K (1,3 109a) ~0,4 1013W (abondant mais peu de chaleur par
désintégration)
Evolution des sources d’énergie
•
Bilan de chaleur de la Terre
• Désintégration croûte: 0,8 10 13W
• Désintégration manteau: 2,4 10 13W
• Refroidissement séculaire: 10 13W
Total: 4,2 10 13W
Sources d’énergie: synthèse
La quantité de chaleur que reçoit la Terre du soleil est
20000 fois supérieure à ce que dégage la Terre
interne!
Modes de transport
Le rayonnement
La Terre absorbe l’énergie solaire
(1400W/m2) en partie dans le visible.
L’atmosphère absorbe la plus grande partie,
le sol réémet 320W/m2 dans l’infrarouge. Le
CO2 en absorbe beaucoup, effet de serre.
La Terre interne est opaque au
rayonnement du fait de la pression et il ne
peut pas transporter d’énergie efficacement
Modes de transport
La conduction
C’est la transmission des
vibrations thermiques
de proche en proche
du chaud vers le froid.
Surtout dans les
solides.
La faculté à transmettre la
chaleur est la
conductivité thermique,
propriétés des
matériaux
Modes de transport
Dans les enveloppes terrestres il faut:
• Evacuer la chaleur de la couche inférieure plus chaude
• Evacuer la chaleur produite in situ dans chacune de couches.
• Noyau externe: chaleur dégagée par la graine solide plus la
chaleur produite dans le noyau externe
• Manteau inférieur: chaleur dégagée par le noyau externe plus
la chaleur produite dans le manteau inférieur
• Etc….
• Advection = mouvement du solide lui même qui peut
transporter de la chaleur
• Remontée et épanchement de laves
• Réajustement isostatique
• Subduction de matériaux froids
Modes de transport
La convection
Quand la conduction ne suffit pas à maintenir un équilibre, la
température augmente jusqu’à modifier le comportement
mécanique du solide, la convection démarre. La matière
chaude se met en mouvement pour transporter elle même la
chaleur.
A cause de la radioactivité, la Terre doit être convective; à une
échelle de temps de plus de 10ka, le manteau est visqueux et
se déplace à des vitesses de quelques cm par an. Le noyau est
beaucoup plus fluide, vitesse de quelques mètres par heure!
Les enveloppes sont en équilibre, les plus légères recouvrant es
plus denses.
Les perturbations viennent donc de différences de T
Mais à une échelle de temps courte, quelques heures, le manteau
est solide, et même élastique!
Modes de transport
Moteur de la convection = force d’Archimède. Au cours de son échauffemen
un volume de manteau se dilate un peu (dilat. thermique du la péridotite
3.10-5, fer 10-5)
Si elle dépasse le frottement visqueux, il y a mouvement.
Modes de transport
Si les matériaux ne peuvent pas se mélanger (interface solideliquide de la graine et du noyau externe) ou de densités très
différentes (interface noyau externe- manteau inférieur), des
niveaux distincts de convection se mettent en place.
Le gradient géothermique est faible dans les couches convectives
et fort dans les couches limites.
Convection et fusion
La convection permet la remontée de manteau chaud sans réel
refroidissement jusqu’à faible profondeur: remontée adiabatique;
Elle entraîne la fusion partielle.
Flux de chaleur
Les flux de chaleur océanique et continental diffèrent. Il varie en milieu océanique
de 300mW/m2 près des dorsales à 60mW/m2 pour la lithosphère âgée de 60Ma.
Il est plus homogène sur les continents
Le champ de gravité terrestre
Définition du champ de pesanteur
Différence de g entre pôles et équateur: 0,0521m/s2 pas explicable par ac.
La Terre n’est pas une sphère mais un ellipsoïde aplati aux pôles
Le géoïde
• Si la Terre était une sphère et la répartition des masses
homogènes la Terre serait une sphère.
Mesure du géoïde
La précision actuelle des satellites est meilleure que 5cm. La carte
d’anomalies du géoïde est extrapolée en cartes d’anomalies de
la gravité terrestre.
Interprétation du géoïde
Petites longueurs d’ondes: unités lithosphériques
Grandes longueurs d’ondes: dynamique du manteau
Géoïde: petites longueurs
d’ondes
Petites longueurs
d’ondes:
• dorsale = bosse de
10m
• fosse océanique =
creux de 10à 20m
• volcan sous marin
=bosse de quelques
mètres
Bonne image des reliefs
sous marins
Méthode utilisée pour établir des cartes dites de bathymétrie prédite
des fonds océaniques tels qu’on les connaît aujourd’hui
Géoïde: grandes longueurs
d’ondes
Interprétation en termes de dynamique du manteau: il y a anticorrélation
entre tomographie sismique et géoïde.
Une anomalie plus dense en tomographie montre un géoïde plus élevé:
cela traduit une densité plus faible