Inge Lehmann, la découvreuse de la graine de la Terre


Google consacre fréquemment un « doodle » à l'anniversaire d'une personnalité scientifique qui a laissé une empreinte significative dans l'exploration de l'univers. Le 13 mai 2015, c'est la mémoire de la géophysicienne danoise Inge Lehmann qui est honorée. On lui doit la découverte de la partie solide du noyau de la Terre composé en partie de fer et de nickel en fusion.

Par Laurent Sacco. Futura-Sciences, 13 mai 2015


« Vous n'imaginez pas le nombre d'hommes incompétents avec qui j'ai dû batailler toute ma vie… en vain » a confié un jour à son neveu Niles Groes la Danoise Inge Lehman. Née plus de 20 ans après Marie Curie, le 13 mai 1888, cette géophysicienne à qui l’on doit la découverte de la graine du noyau de la Terre a en effet dû se frayer un chemin dans un monde scientifique encore largement dominé par les hommes au cours de la première moitié du XXe siècle. Sa découverte majeure, elle l’a réalisée en 1936 dans le cadre d’une toute jeune science de la Terre : la sismologie. Avant elle, tout le monde pensait que le noyau de notre planète était purement liquide. Sa découverte de l’existence d’une partie solide allait plus tard être d’une grande importance pour comprendre l’origine de l’énergie alimentant la géodynamo générant le champ magnétique de la Terre et ses inversions.

Le premier contact physique d'Inge Lehmann avec les séismes remonte à l’adolescence pendant laquelle elle bénéficie, chose rare pendant les premières années du XXe siècle, d’un enseignement qui ne faisait pas de différence entre les garçons et les filles. Il était donné dans un établissement danois fondé par la tante de Niels Bohr, Hanna Adler. Initialement, la jeune femme ne fut donc pas confrontée à des barrières pour entreprendre des études de mathématiques. Au bout de trois années à l’université de Copenhague, où elle étudia aussi la chimie, la physique et l’astronomie, elle passa haut la main tous ses examens, ce qui allait la conduire à l’université de Cambridge en 1910.

Malheureusement mal préparée pour passer le fameux Mathematical Tripos (majoré notamment par Joan Clarke), elle ira jusqu'au surmenage dans ses tentatives pour se mettre rapidement à niveau, ce qui la conduit à quitter Cambridge en 1911. Elle ne récupérera de cet épisode qu’en 1918, année où elle entra à nouveau à l’université de Copenhague. Elle finira par décrocher un doctorat en géodésie, avec une partie consacrée à la sismologie en 1928 c'est-à-dire à 40 ans. Son parcours laisse songeur mais surtout donne de l’espoir à tous les passionnés de sciences car, comme on va le voir, sa brillante carrière scientifique va décoller quelques années plus tard et sera encore particulièrement productive alors qu’Inge Lehmann dépassait les 70 ans.


Des ondes sismiques qui éclairent l'intérieur de la Terre

Pour comprendre la découverte à laquelle la géophysicienne doit sa célébrité, il faut remonter à la théorie des ondes dans les milieux matériels. Les fameuses équations de Navier-Stokes ne s’appliquent pas qu’à des fluides, elles permettent de comprendre aussi les déformations et le comportement de milieux solides élastiques telles les roches de l’intérieur de la Terre. On peut facilement montrer qu’elles impliquent l’existence de deux grands types d’ondes, les ondes de compression et les ondes transversales. Les premières, analogues des ondes sonores, résultent de la compression et de la dilatation des roches le long de la direction de propagation de ces ondes. Les secondes sont les analogues des vagues à la surface de l’eau et correspondent à des mouvements latéraux des solides le long de la direction de propagation. Ces ondes n’ont donc pas les mêmes caractéristiques et leurs vitesses de propagation, en plus de dépendre de la composition et de l’état des roches qu’elles traversent, ne sont pas les mêmes.

Pour les sismologues, les ondes de compression issues d’un séisme arrivent les premières dans leurs sismomètres et sont appelées ondes p depuis les travaux du géologue et géophysicien britannique Richard Dixon Oldham. Plus lentes, les ondes transversales, dites S, arrivent ensuite. En analysant les données sismologiques collectées sur la planète, Oldham constate au début du XXe siècle que les ondes S ne sont jamais enregistrées aux antipodes d’un séisme. Comme on peut utiliser les modèles de l’optique géométrique pour décrire la propagation de ces ondes à l’intérieur de la Terre, un séisme peut se voir comme une lampe torche éclairant les profondeurs de notre planète. Tout se passe donc comme si les rayons des ondes S ne traversaient pas le centre de la Terre. L’explication de cet étrange phénomène proposée en 1906 par Oldham est simple. Les ondes S ne pouvant traverser un milieu liquide, il fallait en conclure qu’il existait un noyau fluide à l’intérieur de la Terre.


Inge Lehman découvre la graine de la Terre à 48 ans

En 1936, notamment en étudiant les données d’un séisme survenu en Nouvelle-Zélande en 1929, Inge Lehmann prend acte d’un autre curieux phénomène affectant les rayons associés aux ondes P qui n'arrivent pas comme prévu de part et d’autre des antipodes des foyers des séismes. Sa solution du problème, soutenue par des calculs, est brillante. Elle montre qu’une région solide à l’intérieur du noyau réfracte les ondes P d'une façon qui rend bien compte des observations. Quelques années plus tard, tous les ténors de la sismologie de l’époque, en particulier Beno Gutenberg et Harold Jeffreys, sont convaincus de la justesse de l’idée de Lehmann.






En 1953, à l’âge de 65 ans, la géophysicienne part à la retraite en quittant son poste de directeur du département de sismologie de l’Institut royal danois de géodésie, poste qu’elle occupait depuis 1928. On aurait pu croire que sa carrière allait s’arrêter là, mais il en fut tout autrement... Libre de toute obligation, elle peut se rendre aux États-Unis où elle est accueillie à plusieurs reprises au Lamont-Doherty Earth Observatory par le grand Maurice Ewing, l’un des plus importants géophysiciens du XXe siècle avec Edward Bullard. Elle deviendra très active dans l’étude des données sismiques qui vont bientôt arriver en masse au cours des années 1960 grâce au programme Vela Uniform. Les militaires avaient en effet besoin de surveiller et de localiser d’éventuels essais nucléaires en sous-sol et c’est pourquoi un puissant réseau de sismomètres allait être mis en place vers 1965. Indirectement, ce projet va contribuer à l’essor de la théorie de la tectonique des plaques.

Inge Lehmann nous a quittés le 21 février 1993, universellement respectée depuis des décennies pour ses contributions à la compréhension de la Planète et c’est donc un hommage bien mérité que lui fait Google avec son doodle.