Une équipe suisse affirme que le noyau terrestre renfermerait d’immenses quantités d’hydrogène, potentiellement équivalentes à des dizaines d’océans.
Selon une étude relayée par le média en ligne brésilien ZM, des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich), en Suisse, avancent que le noyau de la Terre stockerait l’équivalent de 9 à 45 océans d’eau, mais sous une forme inattendue : de l’hydrogène intimement intégré au métal. Ces travaux, réalisés en laboratoire à partir d’expériences à très haute pression, bousculent le scénario classique de l’origine de l’eau terrestre.
Un noyau terrestre bien plus riche en hydrogène qu’on ne le pensait
Le cœur de la Terre reste hors d’atteinte des forages. Pour contourner cette limite, l’équipe dirigée par le géophysicien Motohiko Murakami a simulé en laboratoire les conditions extrêmes qui règnent à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur.
Les scientifiques se sont intéressés à la part d’éléments légers, en particulier l’hydrogène, susceptibles d’être dissous dans le noyau métallique. Leur résultat central : entre 0,07 % et 0,36 % de la masse du noyau serait constituée d’hydrogène. Une fraction minuscule en pourcentage, mais gigantesque en volume.
À l’échelle de la planète, cette proportion représenterait l’équivalent de 9 à 45 océans terrestres en eau, enfouis dans le noyau sous forme d’hydrogène lié au fer.
Cette réserve serait donc bien plus vaste que toute l’eau présente en surface et dans les réservoirs souterrains connus, qui ne correspondent qu’à une mince enveloppe planétaire.
Une expérience sous pression extrême pour recréer le centre de la Terre
Pour parvenir à cette estimation, les chercheurs de l’ETH Zurich ont utilisé un dispositif phare de la géophysique expérimentale : la cellule à enclumes de diamant chauffée au laser.
Des diamants pour écraser le fer et l’eau
Deux minuscules diamants ont comprimé une petite quantité de fer associée à une capsule contenant de l’eau. L’ensemble a été soumis à des pressions et des températures comparables à celles du noyau terrestre.
Le fer a été porté à l’état liquide par chauffage laser.
L’hydrogène, l’oxygène et le silicium ont migré dans ce métal en fusion.
Le mélange a ensuite été « figé » très rapidement par refroidissement soudain.
Une fois l’échantillon solidifié, l’équipe a eu recours à une tomographie de pointe, une technique d’imagerie en trois dimensions, pour analyser l’organisation interne du métal.
L’ancien chercheur postdoctoral Dongyang Huang, cité par ZM, explique que cette méthode a permis d’observer le comportement des atomes de l’élément léger au sein du fer sous ces conditions extrêmes. La tomographie a révélé que l’hydrogène ne se trouve pas sous forme de gaz ou de molécules d’eau, mais directement incorporé dans la structure métallique.
L’hydrogène piégé dans le métal : des hydretos de fer
Les résultats montrent que l’hydrogène forme des hydretos de fer, un type de composé où l’hydrogène occupe des positions bien définies dans le réseau cristallin du métal. Ces hydretos sont associés à des nano-structures riches en silicium et en oxygène au sein de l’alliage.
Dans le noyau, l’« eau » ne serait pas un liquide circulant librement, mais un immense réservoir d’hydrogène solidement piégé dans le fer et sa phase alliée.
En mesurant précisément la proportion entre l’hydrogène et le silicium dans leurs échantillons, puis en extrapolant à la taille réelle de la Terre, les chercheurs arrivent à cette fourchette spectaculaire de 9 à 45 océans théoriques.
Un scénario révisé pour l’origine de l’eau terrestre
Cette présence massive d’hydrogène dans le noyau change la perspective sur la manière dont la Terre a acquis son eau. L’hypothèse la plus répandue attribue une partie importante de cette eau à l’apport tardif de comètes et d’astéroïdes, riches en glace.
Les travaux de l’ETH Zurich renforcent l’idée inverse : une quantité importante d’eau aurait déjà été présente au cœur de la planète lors de sa phase de formation principale, au moment où la matière en fusion se différenciait entre noyau métallique et manteau rocheux.
Si le noyau stocke déjà l’équivalent de dizaines d’océans, l’eau de surface ne représenterait qu’une petite fraction du stock total d’hydrogène terrestre.
Motohiko Murakami souligne, selon les informations relayées par ZM, que ces résultats donnent des indices sur la répartition des substances volatiles, comme l’hydrogène, à l’échelle du système solaire naissant. Ils suggèrent que les éléments nécessaires à la formation de l’eau liquide étaient présents très tôt dans la matière qui a servi de « brique » à la Terre.
Un impact possible sur le champ magnétique et la dynamique interne
L’hydrogène enfoui profondément ne serait pas simplement un « stock » inerte. Sa présence dans le noyau pourrait influencer plusieurs processus clés de la planète.
Un rôle dans le champ magnétique terrestre
Le champ magnétique de la Terre naît des mouvements du fer liquide dans le noyau externe. Des éléments légers dissous dans ce métal, comme l’hydrogène, modifient sa densité, sa viscosité et ses mouvements de convection.
L’hydrogène peut alléger l’alliage métallique.
Il influence la circulation des courants dans le noyau externe.
Il peut donc participer à la façon dont le champ magnétique se met en place et évolue.
Les chercheurs de l’ETH Zurich indiquent aussi que cet hydrogène pourrait circuler très lentement entre les grandes couches internes de la Terre, du noyau vers le manteau, puis vers la surface via le volcanisme et les mouvements tectoniques.
Des indices précieux pour comprendre les exoplanètes rocheuses
Comprendre comment l’hydrogène se comporte dans les métaux à très haute pression ne concerne pas uniquement notre planète. Cette physique s’applique à d’autres mondes rocheux, y compris les exoplanètes observées autour d’étoiles lointaines.
La manière dont les éléments légers se mélangent au noyau d’une planète influence sa structure interne, sa température, son éventuel champ magnétique et sa capacité à garder de l’eau en surface.
Ces paramètres entrent directement dans l’évaluation du potentiel d’habitabilité d’une exoplanète. Une planète qui conserve un champ magnétique stable protège mieux son atmosphère et l’eau de surface d’un vent stellaire agressif.
Ce que cela signifie pour un lecteur en France
Pour un public français, ces résultats s’inscrivent dans le prolongement des travaux menés en géophysique dans plusieurs laboratoires, dont certains en Europe. Les méthodes employées, comme la cellule à enclumes de diamant ou la tomographie à très haute résolution, sont aussi utilisées dans des instituts français de recherche en sciences de la Terre.
En France, des organismes tels que le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) mènent des études comparables sur la composition du noyau et du manteau. Les chercheurs y testent eux aussi des alliages de fer avec des éléments légers pour contraindre les modèles de l’intérieur de la Terre.
Ces nouvelles données issues de l’ETH Zurich viennent nourrir ces modèles globaux : elles offrent des valeurs chiffrées de la quantité d’hydrogène potentiellement présente dans le noyau et peuvent être intégrées aux simulations réalisées par les équipes françaises, sans qu’un chiffre national spécifique ne soit à actualiser pour le grand public.
Comment les scientifiques estiment l’« équivalent en océans »
La comparaison en « nombre d’océans » sert à rendre l’ordre de grandeur plus parlant. Les chercheurs partent d’une estimation du volume de tous les océans actuels, puis rapportent la masse d’hydrogène extrapolée dans le noyau à l’équivalent d’eau nécessaire pour contenir ce même hydrogène.
Paramètre
Valeur estimée
Part de l’hydrogène dans la masse du noyau
0,07 % à 0,36 %
Équivalent en nombre d’océans
9 à 45 océans d’eau
Forme de stockage
Hydrogène lié au fer (hydretos) avec silicium et oxygène
Cette approche n’implique pas qu’il existe, dans les profondeurs, de véritables mers cachées. Elle traduit simplement un potentiel en hydrogène, si celui-ci était combiné à de l’oxygène pour former de l’eau, comme à la surface.
Un terme technique à retenir : hydreto
Le mot « hydreto » désigne un composé chimique dans lequel l’hydrogène est directement intégré dans la structure cristalline d’un métal ou d’un alliage. Dans ce cas, l’hydrogène ne flotte pas entre les atomes : il occupe des sites bien précis du réseau métallique.
Dans le noyau terrestre, ces hydretos de fer pourraient modifier les propriétés physiques du métal : sa densité, sa capacité à conduire la chaleur et l’électricité, et donc la manière dont la chaleur s’évacue lentement de l’intérieur de la planète vers le manteau et la surface.
Pour un lecteur, cette idée change la vision du sous-sol profond : l’eau observable à l’échelle humaine, qu’elle soit dans les rivières, les nappes phréatiques ou les océans, n’est qu’une petite partie de l’histoire. Une immense quantité d’hydrogène pourrait rester confinée pendant des milliards d’années dans le noyau, tout en participant discrètement à la stabilité du champ magnétique, à l’activité interne de la Terre et, au final, aux conditions de vie possibles en surface.
Pourquoi l'hydrogène du noyau terrestre n'est-il pas sous forme liquide ?
À cause des conditions extrêmes du noyau (pression et température très élevées), l'hydrogène ne peut pas exister sous forme de gaz ou de molécules d'eau. Il s'intègre directement dans la structure cristalline du fer en formant des hydretos de fer, des composés chimiques spécifiques.
Comment les chercheurs ont-ils mesuré l'hydrogène présent au cœur de la Terre ?
Ils ont utilisé une cellule à enclumes de diamant chauffée au laser pour recréer les conditions du noyau, comprimant du fer avec de l'eau à très haute pression et température. Après refroidissement rapide, ils ont étudié l'échantillon solidifié par tomographie 3D pour analyser la structure interne et mesurer la proportion d'hydrogène.
Quel impact cet hydrogène pourrait-il avoir sur la Terre ?
L'hydrogène du noyau pourrait influencer le champ magnétique terrestre en modifiant la densité et les mouvements du fer liquide du noyau externe. Il pourrait aussi circuler lentement vers le manteau et la surface via le volcanisme et la tectonique.
Comment cette découverte change-t-elle notre compréhension de l'origine de l'eau terrestre ?
Ces résultats suggèrent qu'une grande partie de l'hydrogène terrestre était présent dès la formation de la Terre, intégré au noyau en fusion lors de la différenciation entre noyau et manteau, plutôt que apporté principalement par des comètes et des astéroïdes bien plus tard.
Pourquoi cette recherche intéresse-t-elle l'étude des exoplanètes ?
La manière dont l'hydrogène se comporte dans les métaux à très haute pression influence la structure interne d'une planète, son champ magnétique et sa capacité à retenir de l'eau en surface, des facteurs clés pour évaluer l'habitabilité d'une exoplanète rocheuse.
