Le noyau est structuré en deux enveloppes concentriques aux propriétés physiques radicalement opposées : un noyau externe liquide et un noyau interne solide en interaction.

• La graine, ou noyau interne, est une sphère solide d'environ 1220 kilomètres de rayon, soit à peu près la taille de la Lune. Elle se trouve au centre même de la planète et cristallise lentement à partir du noyau externe. Les conditions qui y règnent sont infernales : la pression dépasse 3,6 millions d'atmosphères et la température est estimée entre 5000 °C et 6000 °C, comparable à celle de la surface du Soleil. Malgré cette chaleur extrême, la formidable pression qui s'y exerce maintient les atomes de fer comprimés en une structure cristalline solide, une forme hexagonale compacte. L'analyse de la propagation des ondes sismiques a montré que cette graine n'est pas une boule parfaitement uniforme. Elle possède une anisotropie, ce qui signifie que les ondes sismiques la traversent plus vite dans une direction parallèle à l'axe de rotation terrestre que dans le plan équatorial. Ce phénomène est interprété comme la preuve d'une orientation préférentielle des cristaux de fer, alignés par les forces colossales liées à la rotation et à la convection. Plus récemment, des études suggèrent une complexité encore plus grande, avec l'existence potentielle d'une "graine" la plus interne, distincte, d'un diamètre d'environ 1300 kilomètres, dont les cristaux de fer auraient une orientation différente.

• Le noyau externe enveloppe cette graine solide. C' est une couche liquide de près de 2200 kilomètres d'épaisseur, composée majoritairement d'un alliage de fer et de nickel en fusion, auquel s'ajoutent environ 10 pour cent d'éléments légers, probablement du silicium, de l'oxygène, du soufre ou du carbone. La présence de ces éléments légers est cruciale, car elle explique pourquoi la densité du noyau externe, mesurée par les ondes sismiques, est légèrement inférieure à celle d'un alliage fer-nickel pur. La viscosité de ce métal liquide est étonnamment faible, proche de celle de l'eau, ce qui permet des mouvements de convection extrêmement rapides et turbulents. La température y est bien sûr extrême, variant d'environ 4000 °C près de sa frontière avec le manteau à plus de 5000 degrés près de la graine. La limite floue entre la graine solide et le noyau externe liquide s'appelle la discontinuité de Lehmann. C'est une zone de transition fondamentale, un front de cristallisation où le fer liquide se solidifie lentement en s'agglomérant à la graine, un processus qui libère de la chaleur latente et expulse les éléments légers, alimentant ainsi la convection dans le noyau externe.

La croissance lente et continue de la graine est l'un des moteurs thermiques principaux de la planète. En se solidifiant, le fer abandonne sa chaleur latente de fusion, et les éléments légers, moins denses, sont expulsés et s'élèvent dans le noyau externe. Ce double processus, à la fois thermique et chimique, entretient l'agitation du noyau liquide et alimente la machine magnétique. On estime que la graine croît d'environ un millimètre par an et que son âge est relativement jeune, entre 1 et 1,5 milliard d'années, ce qui suggère que la dynamo terrestre a connu des régimes différents avant son existence.

L'étude du noyau est un défi qui repose sur une approche indirecte. Aucun forage, de loin, ne peut s'en approcher. Notre connaissance provient principalement de la sismologie. L'analyse de la propagation et de la vitesse des ondes sismiques à travers la Terre a permis de découvrir la discontinuité de Gutenberg, la frontière noyau-manteau, où la vitesse des ondes de cisaillement chute à zéro, prouvant la liquidité du noyau externe, puis leur réapparition sous une forme différente dans la graine solide. La géochimie des météorites de type chondrite, vestiges des matériaux primitifs du Système solaire, nous donne la composition globale de la Terre et confirme que le fer, manquant dans la croûte et le manteau, doit s'être concentré en son centre. La géodésie spatiale et les simulations numériques haute performance sur supercalculateurs, qui recréent les conditions de pression et de température du noyau, complètent ce faisceau de preuves pour dresser le portrait de ce coeur métallique inaccessible.