Mécanismes de transferts thermiques

Introduction :

La chaleur interne de notre planète est due à la désintégration radioactive des éléments internes. Les flux thermiques répartis à la surface de la Terre sont des marqueurs de cette chaleur interne. En Guadeloupe, la centrale géothermique de Bouillante exploite cette énergie en la convertissant en énergie électrique. Mais comment l’énergie thermique, qui provient du noyau, arrive-t-elle en surface ?

Nous présenterons d’abord les deux phénomènes de transfert thermique que sont la convection et la conduction puis nous verrons comment ces phénomènes se reflètent sur le gradient géothermique.

La convection

Dans la première moitié du XXe siècle, l’étude des ondes sismiques a permis de construire un modèle théorique de la structure interne de la Terre : le modèle PREM. Ce modèle met en évidence des discontinuités qui délimitent 4 couches : la croûte, le manteau, le noyau liquide et le noyau solide (la graine).

Dès les années 1960 les avancées de la tomographie sismique montrent des anomalies au sein du manteau.

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Définition

Tomographie sismique :

Technique qui permet d’obtenir des images de coupe des couches profondes de la Terre par l’analyse des ondes sismiques. Les propriétés des milieux traversés sont déduites principalement des écarts de temps d’arrivée des ondes par rapport à une moyenne.
Le terme vient de -tomos qui signifie « coupé » en grec.

Les images obtenues prouvent qu’au sein d’une même couche, le manteau, on observe des différences de température mais aussi de constitution chimique.

  • On parle d’hétérogénéité latérale du manteau.

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En croisant de nombreuses images en coupe du manteau, les scientifiques ont pu observer des mouvements : la matière froide descend alors que la matière chaude monte. Ces observations étayent la théorie d’un mouvement de convection mantellique.

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Définition

Convection :

Transfert de chaleur par déplacement de matière.

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Attention

Mis à part quelques poches de magma, au niveau des zones de subduction ou des dorsales par exemple, le manteau est principalement constitué de roches solides.

  • La convection du manteau se fait à l’état solide.

La croûte océanique plongeante constitue un apport de matière froide dans le manteau. cette descente de matière entraîne la remontée de matière chaude au niveau des dorsales. Ces deux mouvements se compensent mutuellement.

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Il existe différents niveaux de convection : des mouvements dans le manteau supérieur et d’autres qui peuvent aller jusqu’à la discontinuité de Gutenberg, à la limite du noyau externe.

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À retenir

La convection est un mécanisme de transfert thermique présent au sein du manteau. Il fait écho en profondeur à la tectonique des plaques observée en surface.

Nous avons vu comment l’énergie thermique remontait dans le manteau, mais comment cette énergie se transmet-elle de couche en couche ?

La conduction : transmission et dissipation de l’énergie thermique vers la surface

La température interne du globe varie, elle augmente avec la profondeur, cette augmentation est représentée par le gradient géothermique.

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Définition

Gradient géothermique :

Taux de variation de la température de la Terre en fonction de la profondeur.

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Ce gradient n’est pas linéaire, on observe des paliers qui coïncident avec les discontinuités de Mohorovičić, de Gutenberg et de Lehmann.

  • Entre chaque couche la chaleur se transmet par conduction, or, c’est un mécanisme moins efficace que la convection, ce qui crée des ralentissements des échanges thermiques.
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Définition

Conduction thermique :

En thermique, la conduction est un transfert d’énergie thermique du chaud vers le froid, qui se produit en continuité dans la matière sans qu’il n’y ait de mouvement ni d’échange de matière.

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Exemple

La conduction a lieu quand on plonge une cuillère dans une tasse de café. La température élevée du café se transmet du bout de la cuillère (au fond de la tasse) vers le manche (en extérieur). Quand elle se stabilise, la température devient homogène sur toute la cuillère.

Un gradient géothermique est nécessaire à la conduction, car plus l’écart de température est élevé, plus la conduction est efficace.

Le manteau contient une roche, la péridotite, qui a une conductivité très élevée, il perd ainsi facilement sa chaleur vers la surface. Mais celle-ci, transmise à une croûte de plus faible conductivité thermique, s’évacue lentement en surface.

C’est au niveau des dorsales océaniques (lieu de divergence des plaques) que le flux thermique est le plus important.

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À retenir

Nous pouvons en conclure que la chaleur vient du centre de la Terre et remonte à la surface. Le manteau a une grande conductivité mais la croûte une faible conductivité, la chaleur se stocke donc plus facilement car la croûte joue le rôle d’isolant.

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Conclusion :

La Terre n’a pas une température homogène. Elle varie avec la profondeur, c’est le gradient géothermique. Ces variations de température produisent des mouvements de convection : la matière chaude remonte à la surface où elle se refroidit et redescend dans le manteau, ce qui entraîne le mouvement des plaques tectoniques. En plus de ces mouvements de convection, la chaleur interne s’évacue par conduction à travers la matière que constitue la croûte, selon un flux plus important au niveau des dorsales. À chaque discontinuité et en surface, la chaleur se propage donc par conduction.