La Terre est la seule planète que nous savons contenir de la vie. Notre planète est-elle spéciale ? Au fil des ans, les scientifiques ont réfléchi aux facteurs essentiels ou bénéfiques à la vie. Les réponses nous aideront à identifier d’autres planètes potentiellement habitées ailleurs dans la galaxie.
Pour comprendre quelles étaient les conditions des premières années de la Terre, nos recherches ont tenté de recréer l’équilibre chimique de l’océan magmatique en ébullition qui recouvrait la planète il y a des milliards d’années, et ont mené des expériences pour voir quel type d’atmosphère il aurait produit. En travaillant avec des collègues en France et aux États-Unis, nous avons découvert que la première atmosphère de la Terre était probablement une soupe épaisse et inhospitalière de dioxyde de carbone et d’azote, un peu comme ce que nous voyons sur Vénus aujourd’hui.
Comment la Terre a eu sa première atmosphère
Une planète rocheuse comme la Terre est née par un processus appelé « accrétion », dans lequel des particules initialement petites s’agglutinent sous l’effet de la gravité pour former des corps de plus en plus grands. Les plus petits corps, appelés « planétésimaux », ressemblent à des astéroïdes, et les plus grands sont des « embryons planétaires ». Il y a peut-être eu de nombreux embryons planétaires au début du système solaire, mais le seul qui survit encore est Mars, qui n’est pas une planète à part entière comme la Terre ou Vénus.
Les dernières étapes de l’accrétion impliquent des impacts géants qui libèrent d’énormes quantités d’énergie. Nous pensons que le dernier impact de l’accrétion de la Terre a impliqué un embryon de la taille de Mars frappant la Terre en croissance, faisant tourner notre Lune et faisant fondre la plupart ou la totalité de ce qui restait.
L’impact aurait laissé la Terre couverte d’une mer mondiale de roches en fusion appelée « océan magmatique ». L’océan magmatique aurait laissé échapper des gaz d’hydrogène, de carbone, d’oxygène et d’azote, pour former la première atmosphère de la Terre.
Ce qu’était la première atmosphère
Nous voulions savoir exactement quel genre d’atmosphère cela aurait été, et comment elle aurait changé au fur et à mesure qu’elle, et l’océan magmatique en dessous, se refroidissaient. La chose cruciale à comprendre est ce qui se passait avec l’élément oxygène, car il contrôle la façon dont les autres éléments se combinent.
S’il y avait peu d’oxygène dans le coin, l’atmosphère aurait été riche en gaz d’hydrogène (H₂), d’ammoniac (NH₃) et de monoxyde de carbone (CO). Avec de l’oxygène en abondance, elle aurait été composée d’un mélange de gaz beaucoup plus amical : dioxyde de carbone (CO₂), vapeur d’eau (H₂O) et azote moléculaire (N₂).
Nous devions donc déterminer la chimie de l’oxygène dans l’océan magmatique. La clé était de déterminer combien d’oxygène était chimiquement lié à l’élément fer. S’il y a beaucoup d’oxygène, il se lie au fer dans un rapport 3:2, mais s’il y a moins d’oxygène, nous voyons un rapport 1:1. Le rapport réel peut varier entre ces extrêmes.
Lorsque l’océan magmatique a fini par se refroidir, il est devenu le manteau de la Terre (la couche de roche sous la croûte de la planète). Nous avons donc fait l’hypothèse que les rapports de liaison oxygène-fer dans l’océan magmatique auraient été les mêmes que dans le manteau aujourd’hui.
Nous disposons de nombreux échantillons du manteau, certains remontés à la surface par des éruptions volcaniques et d’autres par des processus tectoniques. A partir de ceux-ci, nous pourrions travailler sur la façon de mettre en place un mélange correspondant de produits chimiques en laboratoire.
En laboratoire
Nous avons déterminé que cette atmosphère était composée de CO₂ et de H₂O. L’azote aurait été sous sa forme élémentaire (N₂) plutôt que sous forme de gaz toxique, l’ammoniac (NH₃).
Mais que se serait-il passé quand l’océan magmatique s’est refroidi ? Il semble que la Terre primitive se soit suffisamment refroidie pour que la vapeur d’eau se condense hors de l’atmosphère, formant des océans d’eau liquide comme nous le voyons aujourd’hui. Cela aurait laissé une atmosphère contenant 97% de CO₂ et 3% de N₂, à une pression totale environ 70 fois supérieure à la pression atmosphérique actuelle. Vous parlez d’un effet de serre ! Mais le Soleil était alors moins des trois quarts aussi brillant qu’aujourd’hui.
Comment la Terre a évité le sort de Vénus
Ce rapport entre CO₂ et N₂ ressemble étonnamment à l’atmosphère actuelle de Vénus. Alors pourquoi Vénus, mais pas la Terre, a-t-elle conservé l’environnement infernal, chaud et toxique que nous observons aujourd’hui ?
La réponse est que Vénus était trop proche du Soleil. Elle ne s’est tout simplement jamais refroidie suffisamment pour former des océans d’eau. Au lieu de cela, le H₂O de l’atmosphère est resté sous forme de vapeur d’eau et a été lentement mais inexorablement perdu dans l’espace.
Sur la Terre primitive, les océans d’eau ont au contraire lentement mais régulièrement aspiré le CO₂ de l’atmosphère par réaction avec la roche – une réaction connue de la science depuis 70 ans sous le nom de « réaction d’Urey », du nom du prix Nobel qui l’a découverte – et réduit la pression atmosphérique à ce que nous observons aujourd’hui.
Donc, bien que les deux planètes aient commencé de manière presque identique, ce sont leurs distances différentes du Soleil qui les ont mises sur des chemins divergents. La Terre est devenue plus propice à la vie tandis que Vénus est devenue de plus en plus inhospitalière.