Évolution thermique de la Terre

Depuis sa formation à haute température, la Terre s'est refroidie en dissipant sa chaleur interne par convection, une longue histoire thermique qui régit le ralentissement de la tectonique des plaques, la croissance du noyau interne et la longévité du champ magnétique.

Definition

L'évolution thermique de la Terre est le changement séculaire de la température et du contenu thermique de son intérieur au cours des temps géologiques, déterminée par la compétition entre la génération de chaleur interne et la perte de chaleur convective, ce qui contrôle l'histoire de la convection mantellique, du refroidissement du noyau et du champ magnétique.

Scope

Ce sujet aborde l'histoire thermique à long terme de la Terre : l'équilibre entre la chaleur générée par la radioactivité et les sources primordiales et la chaleur perdue à la surface, les modèles paramétrés de l'évolution de la température du manteau et de la vigueur convective, ainsi que le refroidissement du noyau qui entraîne la croissance du noyau interne et le géodynamo. Il traite de la contrainte selon laquelle la perte de chaleur convective dépend de la viscosité du manteau et, par conséquent, de sa température, du couplage thermique entre le manteau et le noyau, et des implications pour l'histoire tectonique et magnétique de la planète. L'accent est mis sur la manière dont la chaleur interne de la Terre a évolué au cours de milliards d'années.

Core questions

• Comment l'équilibre entre la génération et la perte de chaleur a-t-il évolué au cours de l'histoire de la Terre ?
• Comment la viscosité dépendante de la température régule-t-elle le refroidissement du manteau ?
• Comment le refroidissement du noyau entraîne-t-il la croissance du noyau interne et le géodynamo ?
• Quelles sont les implications de l'évolution thermique pour l'histoire de la tectonique des plaques ?

Key concepts

• Refroidissement séculaire et bilan thermique de la Terre
• Modèles de convection paramétrés
• Viscosité dépendante de la température et autorégulation
• Refroidissement du noyau et croissance du noyau interne
• Histoire thermique de la tectonique des plaques

Key theories

Refroidissement convectif paramétré

Étant donné que la perte de chaleur convective augmente avec la température du manteau en raison de la dépendance de la viscosité à la température, le manteau s'autorégule : un manteau primitif plus chaud convectait et se refroidissait plus rapidement, de sorte que les modèles paramètrent le flux de chaleur en fonction du nombre de Rayleigh pour suivre l'histoire du refroidissement de la planète.

Refroidissement du noyau et géodynamo

À mesure que le manteau extrait de la chaleur du noyau, celui-ci se refroidit et le noyau interne cristallise, libérant de l'énergie latente et gravitationnelle qui contribue à alimenter le géodynamo ; le moment de la nucléation du noyau interne est une contrainte clé pour la longue histoire du champ.

Mechanisms

La Terre a commencé chaude suite à l'accrétion et à la formation du noyau et a depuis perdu de la chaleur plus rapidement que la radioactivité ne la fournit, de sorte qu'elle se refroidit lentement ; parce que la viscosité du manteau diminue avec l'augmentation de la température, un manteau plus chaud convecte plus vigoureusement et se refroidit plus rapidement, fournissant une rétroaction négative qui régule le refroidissement, tandis que la chaleur extraite du noyau abaisse sa température, gèle le noyau interne et entretient la convection qui génère le champ magnétique.

Clinical relevance

L'évolution thermique relie le bilan énergétique de la Terre à l'histoire et à l'avenir de la tectonique des plaques, du volcanisme et du champ magnétique, permet des comparaisons avec les histoires divergentes de Vénus et de Mars, et a des implications pour l'habitabilité planétaire à long terme.

History

Le calcul du refroidissement de Kelvin a donné un âge notoirement bas pour la Terre avant que la radioactivité ne soit reconnue comme source de chaleur interne ; les modèles de convection paramétrés modernes de la fin du XXe siècle, ainsi que les contraintes sur la croissance du noyau interne et l'énergétique du noyau, ont établi l'image actuelle d'une planète autorégulée et se refroidissant lentement.

Debates

Âge du noyau interne et bilan thermique du noyau

Des estimations révisées de la conductivité thermique élevée du noyau impliquent une perte de chaleur rapide et un noyau interne géologiquement jeune, ce qui soulève la question de savoir comment le géodynamo était alimenté avant la nucléation du noyau interne et a suscité des propositions telles qu'un océan de magma basal ou des sources d'énergie compositionnelles alternatives.

Key figures

• William Thomson (Lord Kelvin)
• Geoffrey Davies
• Stéphane Labrosse

Seminal works

• schubert2001
• jaupart2011
• labrosse2007

Frequently asked questions

La Terre se refroidit-elle ?

Oui, sur des milliards d'années, la Terre perd lentement plus de chaleur que sa radioactivité n'en produit, de sorte que son intérieur se refroidit progressivement ; ce refroidissement entraîne la congélation du noyau interne et, dans un futur très lointain, affaiblira la convection qui alimente la tectonique des plaques et le champ magnétique.

Comment le refroidissement de la Terre est-il lié à son champ magnétique ?

Le refroidissement du noyau permet au noyau interne de cristalliser, libérant de la chaleur et des éléments légers qui agitent le noyau externe liquide ; cette convection est ce qui entretient le géodynamo, ainsi, l'évolution thermique de la planète est étroitement liée à la force et à la survie du champ magnétique.