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La Terre antique avait une atmosphère épaisse et toxique comme Vénus – jusqu’à ce qu’elle se refroidisse et devienne vivable

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

Antony Burnham, Chercheur, École de recherche sur les sciences de la Terre, Université nationale australienne

Hugh O’Neill, Professeur, École de recherche en sciences de la Terre, Université nationale australienne

La Terre est la seule planète dont nous savons qu’elle contient de la vie. Notre planète est-elle spéciale? Au fil des ans, les scientifiques se sont demandé quels facteurs sont essentiels ou bénéfiques à la vie. Les réponses nous aideront à identifier d’autres planètes potentiellement habitées ailleurs dans la galaxie.

Pour comprendre à quoi ressemblaient les conditions dans les premières années de la Terre, nos recherches ont tenté de recréer l’équilibre chimique de l’océan de magma bouillant qui recouvrait la planète il y a des milliards d’années, et ont mené des expériences pour voir quel type d’atmosphère cela 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.

Lire la suite: S’il y a de la vie sur Vénus, comment aurait-elle pu y arriver? Les experts sur l’origine de la vie expliquent

Comment la Terre a obtenu sa première atmosphère

Une planète rocheuse comme la Terre est née d’un processus appelé «accrétion», dans lequel initialement de petites particules s’agglutinent sous l’effet de la gravité pour former des corps de plus en plus grands. Les corps plus petits, appelés «planétésimaux», ressemblent à des astéroïdes, et la taille suivante est des «embryons planétaires». Il peut y avoir 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.

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Les derniers stades d’accrétion impliquent des impacts géants qui libèrent d’énormes quantités d’énergie. Nous pensons que le dernier impact de l’accrétion de la Terre impliquait 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 recouverte d’une mer mondiale de roches en fusion appelée «océan magma». L’océan magma aurait fui de l’hydrogène, du carbone, de l’oxygène et de l’azote pour former la première atmosphère de la Terre.

À quoi ressemblait la première atmosphère

Nous voulions savoir exactement quel genre d’atmosphère cela aurait été, et comment cela aurait changé pendant qu’elle, et l’océan de magma en dessous, se serait refroidi. 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 autour, l’atmosphère aurait été riche en gaz d’hydrogène (H₂), d’ammoniac (NH₃) et de monoxyde de carbone (CO). Avec un oxygène abondant, il aurait été constitué d’un mélange de gaz beaucoup plus convivial: dioxyde de carbone (CO₂), vapeur d’eau (H₂O) et azote moléculaire (N₂).

Lire la suite: La montée et la chute de l’oxygène

Nous devions donc travailler sur la chimie de l’oxygène dans l’océan de magma. La clé était de déterminer la quantité d’oxygène liée chimiquement à l’élément fer. S’il y a beaucoup d’oxygène, il se lie au fer dans un rapport de 3: 2, mais s’il y a moins d’oxygène, nous voyons un rapport de 1: 1. Le rapport réel peut varier entre ces extrêmes.

Lorsque l’océan de magma s’est finalement refroidi, il est devenu le manteau terrestre (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 de magma auraient été les mêmes que dans le manteau aujourd’hui.

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Nous avons de nombreux échantillons du manteau, certains ramenés à la surface par des éruptions volcaniques et d’autres par des processus tectoniques. À partir de ceux-ci, nous pourrions déterminer comment mettre en place un mélange correspondant de produits chimiques en laboratoire.

Dans le laboratoire

Dans les expériences, nous avons fait léviter un océan de magma miniature sur un flux de gaz, maintenu en fusion par la chaleur d'un laser puissant.  Cela nous a permis de calibrer la réaction chimique entre le fer et l'oxygène dans le magma et de la relier à la composition de l'atmosphère.

Dans les expériences, nous avons fait léviter un océan de magma miniature sur un flux de gaz, maintenu en fusion par la chaleur d’un laser puissant. Cela nous a permis de calibrer la réaction chimique entre le fer et l’oxygène dans le magma et de la relier à la composition de l’atmosphère. (Crédit d’image: IPGP, auteur fourni)

Nous avons déterminé que cette atmosphère était composée de CO₂ et de H₂O. L’azote aurait été sous sa forme élémentaire (N₂) plutôt que le gaz toxique ammoniac (NH₃).

Mais que se serait-il passé lorsque l’océan de magma s’est refroidi? Il semble que la Terre primitive ait suffisamment refroidi 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 avec 97% de CO₂ et 3% de N₂, à une pression totale d’environ 70 fois la pression atmosphérique actuelle. Parlez d’un effet de serre! Mais le soleil était moins des trois quarts aussi brillant alors qu’il l’est maintenant.

Comment la Terre a évité le sort de Vénus

Une vue ultraviolette montre des bandes de nuages ​​dans l'atmosphère de Vénus.

Une vue ultraviolette montre des bandes de nuages ​​dans l’atmosphère de Vénus. (Crédit d’image: ISAS / JAXA, CC BY)

Ce rapport de CO₂ à N₂ est étonnamment similaire à l’atmosphère actuelle sur 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. Il n’a tout simplement jamais refroidi suffisamment pour former des océans d’eau. Au lieu de cela, le H₂O dans l’atmosphère est resté sous forme de vapeur d’eau et s’est lentement mais inexorablement perdu dans l’espace.

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Sur la Terre primitive, l’eau des océans a plutôt lentement mais régulièrement puisé 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», d’après le lauréat du prix Nobel qui l’a découverte – et la réduction pression atmosphérique à ce que nous observons aujourd’hui.

Ainsi, bien que les deux planètes aient commencé presque à l’identique, ce sont leurs distances différentes du Soleil qui les ont placées sur des chemins divergents. La Terre est devenue plus propice à la vie tandis que Vénus est devenue de plus en plus inhospitalière.

Lire la suite: Les minéraux anciens sur Terre peuvent aider à expliquer le système solaire précoce

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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