La chaleur générée par la terre est (finalement) d’origine radioactive

L’éruption du Piton de la Fournaise (2015) – © Greg de Serra – Flickr CC BY-NC-SA

  • Selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation, nous savons désormais que la géothermie est principalement constituée de radioactivité.
  • L’étude des géoneutrinos, particules produites par notre planète, offre une méthode originale d’étude des profondeurs de la Terre.
  • L’analyse de ce phénomène a été réalisée par François Vannucci, chercheur en physique des particules, spécialiste des neutrinos (Université de Paris).

La terre se réchauffe. Nous savons que la température interne augmente lorsque nous nous enfonçons dans la croûte terrestre. À une profondeur de 25 km, il atteint 750 degrés; au milieu il est estimé à 4000 ℃. Les sources chaudes sont connues depuis l’Antiquité et aujourd’hui l’énergie géothermique est utilisée pour chauffer les maisons. Les éruptions volcaniques, les geysers et les tremblements de terre sont tous des signes d’énergie intérieure.
On mesure un flux de chaleur moyen émis par la surface de 87 milliwatts par mètre carré, soit un dix-millième de l’énergie reçue du soleil pour une puissance totale émise par la terre de 47 mètres carrésou plusieurs milliers de centrales nucléaires. L’origine est longtemps restée un mystère, on sait maintenant que la plupart est la radioactivité.

Comment naissent les atomes?

Pour comprendre l’origine de cette chaleur, il faut revenir à l’origine des éléments atomiques.

Le big bang a produit de la matière sous forme de protons, neutrons, électrons et neutrinos. Les premiers atomes se sont formés il y a environ 370 000 ans, des protons qui attirent les électrons pour fabriquer de l’hydrogène. D’autres noyaux un peu plus lourds, le deutérium, l’hélium, se sont produits en parallèle, c’est ce qu’on appelle le Urnucléosynthèse.

Le chemin était beaucoup plus ardu pour créer les éléments lourds. Ce n’est que lorsque la formation des étoiles et les noyaux lourds sont nés par accrétion dans le chaudron d’étoiles; c’est ici Nucléosynthèse en étoile qui a duré des milliards d’années de grossesse. Puis, au moment de la mort de l’étoile, ces éléments se répandent dans l’espace et sont capturés sur le plan des planètes.

La composition de la terre est donc très compliquée et heureusement pour notre existence on y retrouve tous les éléments naturels de l’hydrogène, l’atome le plus simple, aux atomes lourds comme l’uranium en passant par le carbone. Le fer … et tout Table de Mendeleïev. Les entrailles de la terre contiennent une multitude d’éléments atomiques qui sont rassemblés en différentes couches et répartis selon une structure d’oignon.

Notre planète contient tous les éléments représentés dans le tableau périodique des éléments. © Scaler & Michka – Wikipédia CC BY-SA

Nous en savons peu sur l’intérieur de notre planète, les mines les plus profondes atteignent un maximum de 10 km, alors que leur rayon est de 6 500 km. Plus de connaissances expérimentales internes sont obtenues grâce aux mesures sismiques. À partir de ces données, les géologues ont divisé la structure terrestre en différentes couches: au milieu du noyau, qui est une partie intérieure solide et une partie extérieure liquide, viennent ensuite les couches intérieure et extérieure et enfin la croûte. Mais la Terre est radioactive en raison de sa composition d’éléments lourds instables, ce qui suggère une méthode complémentaire originale pour examiner son intérieur et mieux comprendre d’où provient sa chaleur.

Qu’est-ce que la radioactivité?

Médicaments et cosmétiques à faible dose de radium au début du XXe siècle © Rama – Wikipedia CC BY-SA

La radioactivité est un phénomène naturel très courant et inévitable. Tout sur terre est radioactif, ce qui signifie que les particules élémentaires sont créées spontanément et que nous émettons nous-mêmes plusieurs milliers de particules à chaque seconde. L’opinion publique à l’époque de Marie Curie n’en avait pas du tout peur. Au contraire, nous avons loué les bienfaits: nous avons acheté des crèmes de beauté certifiées radioactives et glorifié les propriétés de l’eau minérale, comme mentionné dans la littérature de l’époque. Maurice Leblanc écrit sur une source thermale qu’Arsène Lupin sauve au cours d’une de ses aventures:

«L’eau contient des principes d’énergie et de pouvoir qui en font vraiment une fontaine de jouvence, des principes dérivés d’une radioactivité étonnante. »(Maurice Leblanc, La jeune femme aux yeux verts, 1927)

Différents types de radioactivité sont connus, dont chacun conduit à une émission spontanée de particules et à la libération d’énergie, qui devient visible par dépôt thermique. Dans ce qui suit, nous nous concentrons sur la désintégration de type «Beta», dans laquelle un électron est émis avec un neutrino. L’électron est absorbé dès qu’il est produit, mais le neutrino a la propriété remarquable de pouvoir laisser passer beaucoup de matière sans être arrêté. La Terre entière est transparente aux neutrinos, et donc la détection des neutrinos générés par les désintégrations radioactives dans la Terre permet en principe de regarder ce qui se passe à grande profondeur.

Les géoneutrinos, du nom de ces particules produites par notre planète, offrent donc une méthode originale pour étudier les profondeurs de la Terre. On n’a pas encore découvert ce qu’est un tour de force car un neutrino réagit très peu avec la matière. Néanmoins, il existe des détecteurs suffisamment massifs qui se sont révélés appropriés pour de telles enquêtes.

Carte mondiale des neutrinos terrestres © SM Usman et al./US Geospatial and Intelligence Agency / AGM2015

Les principales sources de géoneutrinos sont des éléments lourds à très longue durée de vie, dont les propriétés sont précisément connues grâce à des tests en laboratoire. Ce sont principalement les éléments uranium, thorium et potassium. Par exemple, la désintégration du noyau d’uranium 238 produit en moyenne 6 neutrinos à la fois, tout en libérant 52 mégaélectrons-volts d’énergie transportés par les particules émises, qui s’arrêtent dans la matière et déposent de la chaleur. Chaque neutrino transporte une énergie de 2 mégaélectrons volts. N’oubliez pas qu’une énergie de 1 mégaélectron volt en unités officielles équivaut à 1,6 10-13 joules. Cela signifie que la chaleur totale de la terre nécessite environ 1 025 désintégrations par seconde. Peut-on détecter ces neutrinos?

Comment voyez-vous les géoneutrinos?

En pratique, on se limite à prendre une mesure globale au point où se trouve l’appareil, avec des flux venant de toutes les directions. Il est alors difficile d’obtenir les informations exactes sur l’origine, la direction d’arrivée ne peut pas être mesurée. Nous devons nous appuyer sur des modèles à partir desquels nous développons des simulations informatiques. Connaissant les spectres d’énergie de chaque mode de désintégration et modélisant la densité et l’emplacement des différentes couches géologiques qui contribuent au résultat final, nous extrayons un spectre global des neutrinos attendus et dérivons le nombre d’événements prédits dans un détecteur donné. Ce nombre est encore très faible: une poignée d’événements par détecteur de kilotonnes par an.

Deux expériences ont récemment contribué à cette recherche: Kamland, un détecteur qui se cache sous une montagne japonaise de 1000 tonnes et
Borexino installé dans une galerie creusée sous la montagne du Gran Sasso en Italie et pesant 280 tonnes. Dans les deux cas, le milieu sensible est constitué d’un “scintillateur liquide”. En effet pour
Reconnaître les géoneutrinos ou
du cosmosIl est nécessaire d’effectuer une détection efficace aux basses énergies: c’est l’excitation d’atomes d’un liquide pétillant. Un neutrino interagit avec un proton et les particules générées sont exposées d’accord à travers la lumière que nous pouvons voir.

L’expérience Sno + utilise le détecteur Snolab au Canada, spécifiquement pour détecter les géoneutrinos © SnoLab / Flickr

Kamland annonce plus de 100 événements et Borexino une vingtaine d’événements qui sont dus à des géoneutrinos avec des incertitudes de 20 à 30%. On ne sait pas comment revenir à leur point d’émission, mais cette mesure globale – bien qu’assez brute – suffit à montrer une concordance avec les prédictions des simulations dans la limite des faibles statistiques obtenues.

Donc l’hypothèse avancé dans le passé L’existence d’un réacteur nucléaire au centre de notre Terre, qui, comme les réacteurs produisant de l’électricité, consisterait en une boule d’uranium, est désormais exclue. La fission est un type de radioactivité qui n’est plus spontanée mais simulée.

À l’avenir, nous prévoyons la contribution de nouveaux détecteurs plus efficaces à la préparation au Canada. SNO +et en Chine
Junoncela affinera nos connaissances sur les géoneutrinos.

«Loin d’être un appauvrissement, l’ajout de l’invisible au visible l’enrichit plus que juste, il lui donne du sens, il le complète. »(Paul Claudel, Positions et propositions, 1928).

Cette analyse a été rédigée par François Vannucci, chercheur en physique des particules, spécialiste des neutrinos (Université de Paris). L’article original a été publié sur le site Web de La conversation.

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