De nouvelles approches sur l’atmosphère primitive de la Terre
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par l’ETH Zurich et le Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, a acquis de nouvelles connaissances sur l’atmosphère terrestre d’il y a 4,5 milliards d’années. Leurs résultats ont des implications sur les origines possibles de la vie sur Terre.
Une illustration d’artiste de la Terre aujourd’hui et il y a 4,5 milliards d’années. Crédit image : Tobias Stierli
Il y a quatre milliards et demi d’années, la Terre aurait été difficilement reconnaissable. Au lieu des forêts, des montagnes et des océans que nous connaissons aujourd’hui, la surface de notre planète était entièrement recouverte de magma – le matériau rocheux en fusion qui fait surface lorsque les volcans entrent en éruption. La communauté scientifique est d’accord sur ce point. Ce qui est moins clair, c’est à quoi ressemblait l’atmosphère à l’époque. De nouveaux travaux de recherche internationaux, menés par Paolo Sossi, chercheur principal à l’EPF de Zurich et au PRN Planètes, tentent de lever certains des mystères de l’atmosphère primitive de la Terre. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue Science Advances.
Production de magma en laboratoire
“Il y a 4,5 milliards d’années, le magma échangeait constamment des gaz avec l’atmosphère sus-jacente”, commence à expliquer Paolo Sossi ; “l’air et le magma s’influençaient mutuellement. On peut donc apprendre l’un de l’autre”.
Pour connaître l’atmosphère primitive de la Terre, qui était très différente de ce qu’elle est aujourd’hui, les chercheurs ont donc créé leur propre magma en laboratoire. Pour ce faire, ils ont mélangé une poudre correspondant à la composition du manteau fondu de la Terre et l’ont chauffée. Ce qui semble simple à priori a nécessité la mise en oeuvre des dernières avancées technologiques, comme le souligne Sossi : “La composition de notre poudre semblable à celle du manteau rendait sa fusion difficile, il nous fallait des températures très élevées d’environ 2000 °C”.
Le four à lévitation aérodynamique chauffé au laser, avec lequel Sossi et al. ont fait leurs expériences. Crédit image : IPGP.
Pour cela, il fallait un four spécial, chauffé par un laser et dans lequel les chercheurs pouvaient faire flotter le magma en laissant des courants de mélanges gazeux s’écouler autour de lui. Ces mélanges de gaz étaient des candidats plausibles pour décrire l’atmosphère primitive qui a influencé le magma. Ainsi, avec chaque mélange de gaz qui circulait autour de l’échantillon, le magma s’est avéré un peu différent.
“La principale différence que nous avons recherchée est la façon dont le fer est oxydé dans le magma”, explique Sossi. En termes moins précis : à quel point il était rouillé. Lorsque le fer rencontre l’oxygène, il s’oxyde et se transforme en ce que nous appelons communément la rouille. Ainsi, plus le mélange de gaz que les scientifiques ont soufflé sur leur magma contenait d’oxygène, plus le fer contenu dans le magma s’est oxydé.
Le niveau d’oxydation du fer dans le magma refroidi a donné à Sossi et à ses collègues quelque chose qu’ils peuvent comparer aux roches naturelles qui constituent aujourd’hui le manteau de la Terre, les péridotites. L’oxydation du fer dans ces roches a encore la marque due à l’atmosphère primitive. La comparaison des péridotites naturelles et de celles du laboratoire a donc donné aux scientifiques des indices sur les mélanges de gaz qui se rapprochent le plus de l’atmosphère primitive de la Terre.
Un nouveau regard sur l’émergence de la vie
“Ce que nous avons constaté, c’est qu’après s’être refroidie de l’état de magma, la jeune Terre avait une atmosphère légèrement oxydante, avec du dioxyde de carbone comme principal constituant, ainsi que de l’azote et un peu d’eau”, rapporte Sossi. La pression à la surface était également beaucoup plus forte, près de cent fois supérieure à celle d’aujourd’hui et l’atmosphère était beaucoup plus élevée, en raison de la surface chaude. Ces caractéristiques la rendaient plus semblable à l’atmosphère de la Vénus actuelle qu’à celle de la Terre actuelle.
Dr. Paolo Sossi is an SNF Ambizione Fellow at the ETH Zurich.
Selon Sossi et ses collègues ce résultat a deux conclusions principales, :
La première est que la Terre et Vénus ont commencé avec des atmosphères assez similaires, mais que la seconde a ensuite perdu son eau en raison de la proximité du Soleil et des températures plus élevées qui y sont associées. La Terre, en revanche, a conservé son eau, principalement sous la forme d’océans. Ceux-ci absorbaient une grande partie du CO2 de l’air, réduisant ainsi considérablement les niveaux de CO2.
La deuxième conclusion est que la théorie populaire sur l’émergence de la vie sur Terre semble désormais beaucoup moins probable. Cette expérience dite “Miller-Urey”, dans laquelle des éclairs interagissent avec certains gaz (notamment l’ammoniac et le méthane) pour créer des acides aminés, les éléments constitutifs de la vie, aurait été difficile à réaliser. Les gaz nécessaires n’étaient tout simplement pas suffisamment abondants.
“Alors que nous pourrions répondre à certaines questions sur les origines de la vie sur Terre, d’autres, comme la façon dont la vie peut se développer dans des atmosphères riches en CO2, restent ouvertes”, conclut Sossi, “mais c’est clair : tout comme Icare l’a appris, voler trop près du Soleil rend la vie difficile”.
Publication details: Redox state of Earth’s magma ocean and its Venus-like early atmosphere, Sossi, P.A., Burnham, A. D., Badro, J., Lanzirotti, A., Newville, M. & O’Neill, H.St.C., Science Advances. doi: 10.1126/sciadv.abd1387
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