L’énigme de l’absence d’hydrogène libre à la surface de la Terre fascine les chercheurs. Des études récentes, publiées dans des revues comme Nature Geoscience, suggèrent que le nucléus métallique de la Terre pourrait contenir plus d’hydrogène que tous les océans réunis, redéfinissant notre compréhension de l’origine de l’eau et de l’évolution des planètes.
Le noyau de la Terre : une réserve cachée d’hydrogène
En surface de notre planète, les quantités d’hydrogène libre se limitent à quelques traces et se retrouvent principalement dans l’eau et les hydrocarbures. Ce constat paradoxal a longtemps intrigué les scientifiques, notamment en Europe et en Espagne, où plusieurs équipes suivent de près les avancées en géosciences. Des recherches récentes, publiées dans des revues prestigieuses telle que Nature Geoscience et Nature Communications, semblent suggérer que l’intérieur de la Terre pourrait contenir une quantité d’hydrogène beaucoup plus élevée que celle des océans, concentrée dans le noyau métallique de la planète.
Un noyau apparemment léger et le mystère des éléments volatils
Les modèles basés sur des météorites et des mesures de l’inertie et de la rotation montrent que la Terre est constituée, en grande partie, de silicates présents dans le manteau et la croûte, ainsi que d’une alliage métallique au sein du noyau. Toutefois, la densité calculée d’un noyau fait uniquement de fer et de nickel ne correspond pas exactement aux observations sismiques, étant légèrement inférieure à celle attendue. Cette différence est souvent interprétée comme la présence d’éléments légers dissous dans le noyau, tels que le carbone, l’oxygène, le silicium et, très probablement, l’hydrogène.
Le défi consiste depuis des années à quantifier précisément combien d’hydrogène le fer peut contenir sous des pressions atteignant plusieurs millions d’atmosphères et des températures entre 5 000 et 5 500 degrés Celsius. Les travaux antérieurs, souvent basés sur diffraction des rayons X, cherchaient à déduire la quantité d’hydrogène en mesurant l’expansion de la structure cristalline du fer. Cependant, ces méthodes partaient du principe que d’autres composants comme le silicium et l’oxygène dans le noyau n’altéreraient pas significativement la structure cristalline, une hypothèse mise en question par les nouvelles découvertes.
Reproduire le noyau en laboratoire : des presses à diamants et des lasers
Pour faire progresser cette question, des équipes de recherche de l’Université de Pékin et de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) ont adopté une approche directe : reproduire, à l’échelle microscopique, les conditions extrêmes du noyau terrestre et “compter” les atomes un par un. Les scientifiques encapsulent une minuscule feuille de fer dans un verre de silicium hydraté, lequel simule la magma primitif riche en eau. L’ensemble est introduit dans une cellule de presse à diamants, un appareil capable de concentrer d’énormes forces sur une zone minuscule : deux pointes de diamant se font face et compriment l’échantillon à des pressions de l’ordre de 111 gigapascales, soit environ trois millions de fois la pression atmosphérique en surface.
Simultanément, la cellule est chauffée avec des lasers puissants pour atteindre près de 5 100 kelvins (environ 4 830 °C). Cet ensemble de pression et de chaleur entraîne la fusion du verre, libérant de l’hydrogène, de l’oxygène et du silicium, qui peuvent alors se dissoudre dans la phase métallique du fer. Ce contexte pose un défi, car aux pressions extrêmes, il est nécessaire de travailler avec des volumes très réduits. Cela complique la quantification de l’hydrogène, un élément déjà difficile à détecter en raison de sa légèreté et de sa petite taille atomique.
Tomographie de sonde atomique : la carte de l’hydrogène à l’échelle nanométrique
La technique clé mise en œuvre par l’équipe de Dongyang Huang est la tomographie de sonde atomique (APT). Cette méthode permet de reconstruire en trois dimensions la composition d’un échantillon avec une résolution nanométrique, identifiant presque tous les éléments du tableau périodique présent dans celui-ci. Dans la pratique, les aiguilles métalliques sont soumises à un haut voltage minutieusement contrôlé. Le champ électrique provoque l’ionisation des atomes situés à la surface, les libérant un à un par un processus appelé évaporation de champ. Un détecteur enregistre le temps de vol et la position d’impact de chaque ion, permettant ainsi de reconstruire son identité chimique et sa localisation originale.
Grâce à ce procédé, les chercheurs ont observé que l’hydrogène se déplace du silicium fondu vers le fer, en compagnie de silicium et d’oxygène, et que ces éléments s’intègrent dans la structure cristalline du métal. L’APT a également permis de déceler des espèces comme les ions SiH+, qui aident à distinguer l’hydrogène incorporé durant l’expérience d’éventuelles contaminations extérieures. Un résultat majeur de ces analyses indique que, dans les conditions recréées, le silicium, l’oxygène et l’hydrogène se dissolvent de manière simultanée dans le fer, modifiant la structure cristalline de manières non prises en compte dans des études précédentes.
Entre 9 et 45 océans d’hydrogène dans l’intérieur de la Terre
Les estimations de cette méthodologie indiquent que le noyau terrestre contient entre 0,07 % et 0,36 % d’hydrogène en poids. En langage courant, cela correspondrait à une quantité de d’hydrogène équivalente à celle de 9 à 45 océans comme ceux que nous connaissons aujourd’hui. Ces valeurs concordent avec d’autres calculs récents évoquant entre 23 et 46 océans, selon les hypothèses adoptées et les gammes de pression et de température considérées. Bien qu’il existe des différences chiffrées, toutes les études convergent vers une idée principale : le noyau pourrait être le plus grand réservoir d’hydrogène (et, par extension, d’eau) de la planète, surpassant le manteau et les océans de surface.
Quand est arrivé l’hydrogène ? L’eau depuis la formation de la Terre
Un point particulièrement important des travaux de Huang et de son équipe est le moment où l’hydrogène est arrivé à l’intérieur de la Terre. Les résultats suggèrent que la majeure partie du gaz aurait été incorporée durant les phases initiales de la formation planétaire, il y a environ 4,5 milliards d’années. L’hypothèse est que pendant la formation de la Terre, grâce à l’accrétion de roches, gaz et poussière autour du jeune soleil, une partie de l’hydrogène présent dans les matériaux primitifs se serait dissoute dans le métal liquide, qui s’enfoncerait par la suite pour former le noyau. Cela impliquerait que l’hydrogène ne serait pas un “info tardive” apportée principalement par des comètes, mais un composant intégré dans le cœur de la Terre dès ses premiers millions d’années.
Impact sur le champ magnétique et la dynamique interne
La présence significative de l’hydrogène dans le noyau pourrait également influer sur des propriétés physiques clés de l’intérieur de la planète. En effet, l’hydrogène modifie la densité, la conductivité électrique et la viscosité du fer liquide, ce qui a un impact sur les conditions de génération du champ magnétique. Le noyau externe, composé essentiellement de fer et de nickel sous forme liquide, est en mouvement en raison des gradients de température et de composition. Ce mouvement alimente le géodynamo qui produit le champ magnétique. Les changements dans le mélange d’éléments légers, tel que l’hydrogène, peuvent affecter l’efficacité de ce processus et la manière dont le noyau dissipe la chaleur vers le manteau.
Perspectives futures
Les conclusions des études récentes ouvrent de nouvelles voies de recherche. Intégrer les informations provenant d’expériences de laboratoire, de simulations numériques et d’observations sismiques peut permettre de raffiner les modèles du noyau terrestre. L’interaction entre l’hydrogène profond et la possibilité de vie renforce le lien entre l’étude de l’intérieur de la Terre et des domaines tels que l’astrobiologie et la climatologie. L’histoire de l’eau sur notre planète, qui contrôle le climat et la vie en surface, pourrait être bien plus liée à ce qui se passe à des milliers de kilomètres de profondeur qu’on ne le pensait auparavant.
Mon avis :
Les récents travaux indiquent que le noyau terrestre pourrait contenir une quantité de hydrogène équivalente à celle de 9 à 45 océans. Bien que cette découverte offre des perspectives sur l’origine de l’eau et l’évolution des planètes, des incertitudes subsistent quant à la composition exacte et aux interactions en profondeur, nécessitant des études complémentaires.
Les questions fréquentes :
Qu’est-ce qui explique la rareté de l’hydrogène libre à la surface de la Terre ?
La surface de la Terre contient très peu d’hydrogène libre en dehors de l’eau et des hydrocarbures, malgré le fait que l’hydrogène soit l’élément le plus abondant de l’univers. Cette contradiction a suscité l’intérêt de la communauté scientifique pendant des décennies, et des études récentes suggèrent que le noyau de la Terre pourrait contenir une quantité d’hydrogène bien plus importante que tous les océans réunis.
Quelle est l’importance du noyau terrestre dans le stockage de l’hydrogène ?
Les estimations indiquent que le noyau terrestre pourrait contenir entre 0,07 % et 0,36 % d’hydrogène en poids, ce qui pourrait représenter une quantité équivalente à celle présente dans entre 9 et 45 océans. Cela suggère que le noyau pourrait être le plus grand réservoir d’hydrogène de la planète, surpassant le manteau et les océans superficiels.
Comment les scientifiques étudient-ils la composition du noyau terrestre ?
Des équipes de recherche tels que celles de l’Université de Pékin et de l’École Polytechnique Fédérale de Zurich utilisent des techniques avancées, comme la tomographie de sonde atomique (APT), pour analyser des échantillons de fer sous des conditions extrêmes. Cela leur permet de reconstruire la composition à l’échelle nanométrique et de comprendre comment l’hydrogène interagit avec d’autres éléments dans le noyau.
Quel rôle le noyau peut-il jouer dans la dynamique interne de la Terre ?
La présence d’hydrogène dans le noyau pourrait influencer des propriétés physiques importantes, telles que la densité et la conductivité électrique. Cela a des implications sur le géodynamo qui produit le champ magnétique terrestre et peut également affecter la dynamique interne de la Terre, y compris la tectonique des plaques et le volcanisme.
