convection

(latin convectus, de convehere, transporter)

Transfert de chaleur accompagné d'un transport de matière à l'état de fluide.

1. Les conditions de la convection

Avec la conduction et le rayonnement, la convection est l'un des trois modes de transfert de la chaleur. Comme la conduction, elle exige la présence d'un milieu matériel, mais sa particularité est d'être accompagnée d'un transport de matière à l'état de « fluide ». La convection se manifeste à partir du moment où, sous certaines conditions physiques (synthétisées dans le nombre de Rayleigh), il existe une différence de température entre la base et le sommet du fluide.

Le nombre de Rayleigh prend en compte, parmi d'autres facteurs, la conductivité thermique (→ conduction) , la chaleur spécifique et la viscosité du fluide, ainsi que l'accélération de la pesanteur sans laquelle, par l'intermédiaire de la force d'Archimède, il n'est pas de convection possible.

2. L'importance de la convection

Pour transporter de la chaleur, la convection est, pour les températures inférieures à quelques centaines de degrés, bien plus efficace que le rayonnement et, à toutes températures, plus efficace que la conduction. Selon l'importance de la différence de température au sein du milieu, elle se manifeste par des écoulements qui vont du laminaire au turbulent. Sur la Terre, la convection est présente à toutes les échelles, du microscopique au macroscopique. En particulier, elle est responsable de la circulation générale de l'atmosphère, qui entraîne le brassage de l'air au niveau planétaire et détermine les climats.

Dans le manteau terrestre, elle engendre de très lents mouvements des matériaux rocheux, qui se comportent, sur de très longues durées, comme des fluides très visqueux. Ces mouvements contribuent à la différenciation des matériaux de la planète.

3. Les situations de convection

La convection ne s'observe que dans des systèmes en déséquilibre (→ état d'un système). Ce phénomène est provoqué par deux causes physiques : l'échappement d'un fluide et la pesanteur. Voici quelques exemples illustrant l'étendue des situations de convection.

Un récipient contenant 1 cm d'eau. Le nombre de Rayleigh atteint la valeur critique pour une différence de température d'un millième de degré ! Si l'épaisseur d'eau n'est que de 1 mm, cette valeur devient 1 °C. Cela confirme l'observation commune selon laquelle la convection est toujours présente dans un récipient de liquide chauffé.

Une pièce de 2 m de hauteur. Dès que la différence de température entre le sol et le plafond dépasse 10⁻⁷ °C, l'air de la pièce subit des mouvements de convection qu'il est inconcevable d'empêcher, car il y a toujours quelques degrés d'écart entre les températures des différents points de la pièce.

4. Les mouvements de convection dans le manteau terrestre

La viscosité des solides qui constituent le manteau terrestre est gigantesque : environ 10²² fois plus que celle de l'eau ! Cependant, comme dans le nombre de Rayleigh la distance intervient à la puissance 3, il suffit d'une différence de température de 1 °C sur une hauteur de 100 km pour que la convection puisse apparaître. Épais de plusieurs milliers de kilomètres et subissant une élévation de température de plusieurs degrés par kilomètre, le manteau se trouve clairement en situation de convection (→ Terre).

La convection a longtemps été considérée comme seule responsable des mouvements des plaques lithosphériques de surface (→ lithosphère). L’asthénosphère est séparée du manteau lithosphérique par l’isotherme 1 300 °C, zone où les ondes sismiques sont ralenties (→ sismologie) : c’est la LVZ (low velocity zone). La base du manteau ayant une température de plus de 3 000 °C, les éléments chauds, moins denses, remontent en remplaçant les éléments refroidis qui descendent. Arrivées à la limite inférieure de la lithosphère, ils se refroidissent et leur densité augmente. Ces échanges de température sont responsables de ces mouvements qui s’effectuent dans un milieu solide au comportement ductile.

La chaleur du globe qui initie ces mouvements est due à la désintégration des éléments radioactifs de la Terre et à la libération de l’énergie thermique accumulée lors de la formation de la planète par accrétion. C’est par tomographie sismique (→ sismologie) qu’on a mis en évidence les écarts de températures dans le manteau suite aux mouvements descendants de la lithosphère océanique en subduction et des mouvements ascendants au niveau des dorsales océaniques et des points chauds.

Aujourd’hui, divers modèles des cellules de convection sont proposés. Si la partie supérieure est toujours constituée de la base de la lithosphère, la limite inférieure est placée soit à la limite manteau supérieur et du manteau inférieur (vers 700 km de profondeur), soit au niveau de la discontinuité de Gutenberg (limite manteau / noyau à 2 900 km). Il se dégage alors un modèle de convection du manteau à une couche ou à deux couches.

Refroidie donc dense, la lithosphère s’enfonce ; l’activité des dorsales océanique ne viendrait donc que combler l'écartement engendré par le mouvement des plaques. L’importance de la convection dans le manteau est donc contestée : la subduction serait le moteur essentiel du mouvement des plaques (→ tectonique).