Presque comme sur Vénus

Une équipe de scientifiques internationaux dirigée par Paolo Sossi, chercheur à l'ETH Zurich, 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 artistique de la Terre aujourd'hui et il y a 4,5 milliards d'années. (Image : Tobias Stierli / PRN Planètes)

Il y a quatre milliards et demi d'années, la Terre aurait été difficile à reconnaître. 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 émerge lorsque les volcans entrent en éruption. La communauté scientifique est d'accord sur ce point. Ce qui est moins clair, c'est ce qu'était l'atmosphère à l'époque. De nouveaux efforts de recherche internationaux menés par Paolo Sossi, chercheur à l'ETH Zurich et au PRN PlanetS, 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.

Fabrication de magma en laboratoire

«Il y a quatre milliards et demi d'années, le magma échangeait constamment des gaz avec l'atmosphère sus-jacente», explique Paolo Sossi. «L'air et le magma s'influençaient mutuellement. On en apprend donc sur l'un en étudiant l'autre».

Pour en savoir plus sur l'atmosphère primitive de la Terre, qui était très différente de ce qu'elle est aujourd'hui, les chercheuses et chercheurs ont donc créé leur propre magma en laboratoire. Pour ce faire, ils et elles ont mélangé une poudre qui correspondait à la composition du manteau terrestre en fusion et l'ont chauffée. Ce qui semble simple a nécessité les dernières avancées technologiques, comme le souligne Paolo Sossi : «Notre poudre, dont la composition est semblable à celle du manteau terrestre, était difficile à fondre - il nous fallait des températures très élevées d'environ 2 000° Celsius.»

Pour cela, il fallait un four spécial, chauffé par un laser et dans lequel les chercheuses et chercheurs pouvaient faire léviter le magma en laissant des courants de mélanges gazeux circuler autour de lui. Ces mélanges de gaz étaient des candidats plausibles pour l'atmosphère primitive qui, comme il y a 4,5 milliards d'années, a influencé le magma. Ainsi, avec chaque mélange de gaz qui s'écoulait autour de l'échantillon, le magma s'est avéré un peu différent.

«La principale différence que nous avons recherchée est le degré d'oxydation du fer dans le magma», explique Paolo 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, lorsque le mélange gazeux que les scientifiques ont soufflé sur leur magma contenait beaucoup d'oxygène, le fer contenu dans le magma s'est encore plus oxydé.

Ce niveau d'oxydation du fer dans le magma refroidi a donné à Paolo Sossi et à ses collègues quelque chose qu'ils et elles pouvaient comparer aux roches naturelles qui constituent aujourd'hui le manteau de la Terre - ce qu'on appelle les péridotites. L'oxydation du fer dans ces roches a encore l'influence de l'atmosphère primitive qui y est imprimée. 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 Paolo Sossi. La pression à la surface était également beaucoup plus élevée, 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 l'actuelle Vénus qu'à celle de la Terre actuelle.

Ce résultat permet de tirer deux conclusions principales, selon Paolo Sossi et ses collègues : 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 ont absorbé une grande partie du CO2 de l'air, réduisant ainsi considérablement les niveaux de CO2.

Leur deuxième conclusion est qu'une théorie populaire sur l'émergence de la vie sur Terre semble maintenant beaucoup moins probable. Cette «expérience 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.

Référence

Sossi, PA, Burnham, AD, Badro, J, Lanzirotti, A, Newville, M & O’Neill, HSC: Redox state of Earth’s magma ocean and its Venus-like early atmosphere. Science Advances, 25. November 2020. doi: 10.1126/sciadv.abd1387