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publié le : 12/10/2017
  

L'atmosphère primitive

Origines

L’astéroïde Itokawa, ancienne comète ou vestige de l'accrétion?

L’astéroïde Itokawa, ancienne comète ou vestige de l'accrétion? Les échantillons raménés sur Terre par la sonde Hayabusa ont permis de trancher : sa composition est identique à celle des chondrites ordinaires.(image crédit Jaxa)

-4568 Ma : Une nébuleuse de gaz et de poussières s'effondre sous l'effet de sa propre masse. Les CAI (inclusions riches en calcium et aluminium), les plus vieux objets connus et datés dans les météorites de type chondrite, se forment.

- 4564 Ma : Des objets de toutes tailles entrent en collisions, fusionnent et augmentent progressivement de taille. C'est l'accrétion. Sous l'effet de l'énergie libérée par les impacts, la surface ou la totalité des objets sont à haute température.

- 4550 Ma : La Terre a atteint 60 % de sa taille actuelle.

- 4530 Ma : Au centre de la nébuleuse en rotation, dans ce qui est maintenant le soleil, les réactions thermonucléaires débutent.

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Atmosphère primaire ou secondaire?

Si l'atmosphère est primaire, sa composition doit être identique à celle du Soleil. Dans l'atmosphère solaire le rapport azote sur néon est de 1 sur la Terre il est de 86 000 (le néon est un gaz rare). L'atmosphère terrestre a donc un déficit énorme en néon. Une planète perd ses molécules si sa gravité ne permet pas de les retenir, de deux molécules ce sera la plus légère qui sera perdue. Ici ce n'est pas ce qui se passe puisque le néon a une masse atomique proche de celle du diazote. L'atmosphère de la Terre s'est donc formée secondairement. Oui mais à partir de quoi ?

Comparaison de la composition chimique du gaz volcanique, du gaz des chondrites et de l'atmosphère actuelle. (1) Vaporisation de la météorite de Holbrook (Gooding, 1977), (2) Production théorique de gaz dans les conditions de l'accrétion (Schaefer, 2010) remarquer que seules les chondrites carbonées donnent une atmosphère riche en vapeur d'eau. Les chondrites ordinaires produisent une atmosphère riche en H2 qui a été perdu pour laisser une atmosphère où domine H2O. (3)Teneurs en élèments volatils succeptibles de donner H2O (79%), CO2 (24 %) et N2(1%) (Schaefer, 2007)
 gaz volcaniquegaz des chondrites ordinaires (1)gaz des chondrites ordinaires (théorique) (2)gaz des chondrites carbonées (théorique) (2)chondrites éléments volatils (µg/g) (3)atmosphère actuelle
H2O60 à 90 %60 %18%72%3200 à 3700traces
CO210 à 20 %35 %5 %19 %12000,03 %
N20,02 à 2 %<5 % avec Ar, He, CO0,3%0,7 %34 à 5078 %
O20 %0 %0%0 %020,9 %
H2 0%43%3 %? 

La matière première ne peut provenir que des éléments qui composaient et qui composent toujours la Terre et tous les corps du système solaires en particulier les météorites. Une catégorie, les chondrites, a une composition identique à celle de la Terre prise dans sa totalité. Ce sont aussi les météorites les plus anciennes. On peut donc considérer qu'elles sont les survivantes des objets qui, lors de l'accrétion, ont donné naissance à notre planète. Lorsque l'on chauffe une chondrite les gaz qui s'en échappent sont essentiellement de l'eau, du dioxyde de carbone et du diazote. Cela correspond à la composition des gaz volcaniques actuels.

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Collisions

Lors de l'accrétion, Le bombardement des chondrites a chauffé la surface de la Terre jusqu'à la faire entrer en fusion. Les gaz qui s'en échappaient ont commencé à former une enveloppe de vapeur mais ce qui se passa ensuite fut bien plus radical. La Terre a la particularité de posséder un satellite géant, la Lune. Les deux objets célestes ont des compositions semblables ce qui s'explique par le fait qu'elles se sont formées dans la même région de la nébuleuse mais des différences existent. La Lune possède un noyau métallique très petit ce qui est difficile à expliquer sauf si...

- 4530 Ma Une planète de la taille de Mars heurte la Terre. Les noyaux des deux planètes fusionnent en parti. Les matériaux éjectés lors de la collision forment la Lune. Une nouvelle Terre se reconstitue en 24 heures. Sa température est de 5000°, en surface elle atteint 10 000° et son atmosphère est constituée de roches vaporisées. Pendant 1 000 ans la Terre ressemblera plus à une étoile qu'à une planète.

Si effectivement la Lune résulte d'une telle catastrophe, le dégazage du manteau terrestre débutait avec violence. Il allait durer 12 Ma dans une ambiance dantesque au dessus d'une mer de lave à 1700°. L'atmosphère épaisse est chargée de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, la pression atmosphérique est énorme sans doute égale à celle qui règne actuellement au fond des océans. La chaleur dégagée par le sol et l'effet de serre maintiennent la température à plus de 1500°. Sous l'effet du rayonnement ultraviolet, la vapeur d'eau commence à se décomposer en hydrogène et oxygène. L'hydrogène trop léger s'échappe dans l'espace.

L'origine de l'eau qui compose les océans n'est cependant pas élucidée. Le rapport deutérium/H montre que les comètes ont peu contribué à la formation de l'eau terrestre. Les rapports des isotopes de l'oxygène exclus une participation importante des chondrites carbonées que nous connaissons même si leur dégazage permet la formation d'une atmosphère riche en vapeur d'eau. On ne sait pas si l'eau a résisté à la collision qui a donné la Lune. L'eau de nos océans provient-elle de chondrites carbonées ou d'astéroïdes qui ont percutés la Terre après la formation de la Lune?

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Océans

La température du sol diminue et la température de l'atmosphère suit. Sous une pression de plusieurs centaines de bars il tombe des gouttes brûlantes à 300°. L'atmosphère se vide progressivement de sa vapeur d'eau et la pression chute. La température fait de même car l'effet de serre de la vapeur s'affaiblit. La pluie se poursuivra des milliers d'années recouvrant la planète d'un océan d'eau bouillante surmonté d'une atmosphère de dioxyde de carbone. Trop prés du soleil Vénus n'aura pas cette chance, son eau ne passera pas à l'état liquide et elle sera totalement détruite par le rayonnement solaire. Son atmosphère riche en dioxyde de carbone est semblable à celle de la Terre il y a 4520 Ma mais la température y reste infernale (490°C). Ce que nous venons de décrire est le fruit de modélisations et de considération théoriques. Qu'avons nous de concret ?

Cristal de zircon W74/2-36 provenant de la formation de Jack Hills. La zone âgée de 4400 Ma a un δ18O très élevé indiquant une cristallisation au contact d'eau liquide

Cristal de zircon W74/2-36 provenant de la formation de Jack Hills. En vert les zones d'échantillonnage pour mesurer les isotopes de l'Uranium à la micro-sonde ionique et les datations calculées, en rouge les zones de mesure des isotopes de l'oxygéne. La zone âgée de 4400 Ma a un δ18O très élevé indiquant une cristallisation au contact d'eau liquide.(Wilde, 2001)

Les zircons (silicate de zirconium) sont très résistants à l'érosion et au métamorphisme. Les cristaux que l'on trouvent dans les roches sont minuscules, mais, fort heureusement, grâce aux techniques de micro-analyse (micro-sonde ionique), il est possible de faire plusieurs mesures de la quantité d'isotopes stables sur un cristal de 100 µm. Ils contiennent de l'uranium ce qui permet de les dater. De la sorte on a pu montrer que les zircons de la formation de Jack Hills (ouest de l'Australie) étaient de vénérables vieillards âgés de plus de 4 milliards d'années. Ce sont des reliques trouvées dans un conglomérat précambrien plus jeune. L'étude de isotopes de l'oxygène réservait une surprise à J. Valley. Les zircons qui se forment dans le manteau sec ont un δ18O de 5,3 ‰ ; ceux qui se forment dans un magma granitique au contact de l'eau ont un δ18O de 7 ‰. Les zircons de Jack Hills (5 cristaux>!) avaient un rapport isotopique de 6,3 ‰ en moyenne. Le plus ancien, âgé de 4400 Ma, était zoné. Le δ18O était de 5 ‰ dans sa partie centrale et de 7,4 ‰ à la périphérie. Sa cristallisation s'était terminée dans un magma granitique refroidissant au contact d'eau liquide. Il y avait donc de l'eau liquide il y a 4400 Ga et sans doute aussi de la croûte continentale (Harrison et al. 2005).

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La sortie du royaume d’Hadès

Les réservoirs de carbone à la surface de la Terre en GigaTonnes (Falkowski et al., 2000)
Calcaire       >60 .106   
Matière organique fossile       15 .106
CO2
atmosphère1,6 %
océans98,4 %
39,2 .103
biomasse2,5 .103
Fin de l'Hadéen : océans bleus et continents gris.

Fin de l'Hadéen : océans bleus et continents gris.

Actuellement l'essentiel du carbone est stocké dans le carbonate de calcium des roches calcaire. Cela donne une solution pour débarrasser l’atmosphère de son CO2. Il y a 4500 Ma lorsque l'eau liquide est apparue sur la Terre elle a décomposé les roches superficielles riches en Ca et libéré des molécules de CaO et formé du Ca(OH)2 (chaux éteinte). La solution obtenue est l'eau de chaux, réactif caractéristique du CO2. La mer précambrienne s'est alors transformée en immense réservoir d'eau de chaux qui s'est mis à précipiter le dioxyde de carbone de l'atmosphère sous forme de carbonate de calcium. Il ne reste rien de ces dépôts car ils ont été injectés depuis longtemps dans le manteau par la subduction et dissociés par la chaleur pour donner à nouveau du CO2 qui fort heureusement remonte moins vite à la surface dans les gaz volcaniques qu'il n'est enfoui. Globalement la quantité de CO2 a donc diminué. L'apparition de la première croûte continentale allait compléter efficacement le dispositif. Elle n'est pas subduite et les dépôts de carbonates de calcium qui y sont stockés le sont de manière plus durable même si l'érosion les remet en partie en solution. Il a sans doute fallu entre 10 et 100 Ma pour que l'atmosphère soit débarrassée d'une grande partie du dioxyde de carbone. On ne sait pas exactement à quelle valeur sa concentration s'est stabilisée, mais ce qui est certain c'est que l'effet de serre a fortement diminué. Il a 4000 Ma la température des océans était seulement de 70° (Robert et al. 2006).

La Terre venait de quitter l'Hadéen premier éon de son histoire. Dans son atmosphère riche en diazote et en dioxyde de carbone il ne manquait qu'un gaz : le dioxygène.

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créée le : 20-01-2013     modifiée le : 06-10-2015     visites depuis le 31/10/2015
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