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La chaleur radioactive de la Terre chiffrée

Depuis sa formation il y a 4,5 milliards d'années, la Terre évacue peu à peu sa chaleur résiduelle et se refroidit. Néanmoins, de la chaleur continue d'être produite dans ses entrailles, le manteau terrestre en particulier, par la radioactivité d'isotopes instables – principalement l'uranium 238, le thorium 232 et le potassium 40. Quelle part représente aujourd'hui cette chaleur engendrée par radioactivité dans le flux de chaleur relâché vers l'espace ? La collaboration KamLAND, qui regroupe plus de 60 chercheurs japonais et américains autour du détecteur d'antineutrinos Kamioka, au Japon, apporte pour la première fois une estimation quelque peu précise de cette contribution calorique.

On sait que la Terre évacue vers l'espace une puissance totale de 44,2 térawatts, à 1 térawatt près. La part due à la radioactivité était mal connue, car son calcul nécessitait de faire des hypothèses précises sur la composition interne du globe (proportions des différents éléments et de leurs isotopes, leur répartition spatiale, etc.). Le comptage des neutrinos émis dans les chaînes de désintégrations radioactives constitue un moyen un peu plus direct et moins théorique de mesurer la chaleur terrestre produite par radioactivité. En effet, les neutrinos interagissent très peu avec la matière et traversent donc la planète de part en part sans pertes ou presque. La difficulté est de les détecter, condition sine qua non pour les dénombrer et ainsi évaluer l'énergie totale dégagée par la radioactivité terrestre.

La collaboration KamLAND a utilisé les données de son détecteur recueillies entre 2002 et 2009 (un total d'environ 110 « géoneutrinos » détectés), ainsi que les mesures effectuées par un autre détecteur de neutrinos, Borexino, en Italie. Elle en a déduit que les désintégrations de l'uranium et du thorium produisent 20 térawatts, à environ 9 térawatts près. Si l'on ajoute la radioactivité due au potassium 40, dont on sait par ailleurs qu'elle produit 4 térawatts (les neutrinos qu'elle émet sont hors du domaine de sensibilité des détecteurs Kamioka et Borexino), on arrive à un total de 24 térawatts de chaleur radioactive (à 9 térawatts près). Ces résultats montrent avec certitude que la radioactivité ne rend pas compte à elle seule de la chaleur terrestre, et que la Terre n'a pas fini d'évacuer la chaleur acquise lors de sa formation.

Pour La Science

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