La difficile estimation de la composition de l'atmosphère primitive et de son évolution.
Évolution de la composition de l'atmosphère de la Terre depuis sa formation jusqu'à l'époque actuelle
En 1999 nous avions proposé le graphique ci-contre pour résumer la composition de l'atmosphère primitive et de son évolution. Il a été repris dans les manuels scolaires sans expliquer comment il a été obtenu et pour cause puisque nous ne l'expliquions pas. Il s'agit d'un histogramme cumulé réalisé à partir des principales étapes de l'évolution de l'atmosphère. On part d'un gaz de chondrite puis on recalcule le pourcentage des gaz lorsque la vapeur d'eau disparaît puis le dioxyde de carbone enfin on ajoute l'oxygène. Qu'elle est la validité de ce genre de représentation ? Pour se faire une opinion, livrons nous à une série de calculs mettant à contribution des manipulations des puissance de 10, des pourcentages et des logarithmes, exercice diversement apprécié par un public scolaire.
Partons de quelques chiffres, il y a actuellement :
75 106 Gt de carbone dans les carbonates et le carbone fossile équivalent à 6,25 1021 moles de CO2
1,37 1018 t de H2O (océans) soit moles 7,61 1022 moles
5,6 1015 t de N2 (dont atmosphère 71%) soit 2 1021 moles
Utilisons la composition du gaz des chondrites carbonées pour estimer la quantité de CO2 et de N2 dans l'atmosphère primitive en supposant que la quantité d'eau des océans n'a pas varié depuis leur formation. A la fin du dégazage l'eau était totalement à l'état de vapeur dans l'atmosphère.
La quantité de CO2 , QCO2 , est donnée par :
QCO2 = (7,61 1022 )*19/72 = 2 1022 moles, puisqu'il y a 72 % d'eau et 19 % de dioxyde de carbone dans les gaz des chondrites.
soit 3 fois le quantité de CO2 attendue (6.25 1021 ). Les réservoirs actuels de carbone sont assez mal connus mais tout de même pas du simple au triple. Ces réservoirs ne sont pas représentatifs du CO2 des origines et une partie du carbone aurait définitivement disparu dans le manteau lors de la subduction.
La quantité de N2 ,QN2 , est donnée par :
QN2 = (7,61 1022 )*0.7/72 = 7.4 1021 moles puisqu'il y a 72 % d'eau et 0.7 % de diazote dans les gaz des chondrites.
Là, on trouve 3,2 fois trop d'azote et il n'y a pas d'imprécision sur la quantité d'azote dans l'atmosphère actuelle seulement sur les autres réservoirs (croûte et sédiments) qui ne représentent que 29 % de l'estimation. Il y a un écart qu'il faut essayer d'expliquer.
Le plus grand réservoir d'azote est le manteau qui contient une valeur estimée à 108 Gt. L'azote est soluble dans un manteau oxydé mais peu dans un manteau réduit. L'oxydation du manteau est surtout due à l'eau. Le manteau qui a dégazé était-il oxydé ? Les avis sont partagés (Selsis, al., 2005). Il aurait pu être réduit et retenir l'azote lors du dégazage initial. La formation des océans et la mise en place de la subduction l'aurait ensuite hydraté et oxydé provoquant une libération tardive d'azote. Globalement la libération d'azote aurait été plus faible que prévue.
L'état d'oxydation du manteau n'est pas anodin, nous avons vu qu'il a pu contrôler la libération du dioxygène dans l'atmosphère en produisant des gaz plus réduits qu'actuellement. Mais il faut aussi savoir qu'un manteau réduit libérera des gaz contenant H2, CH4 et NH3, les deux dernières molécules étant très importantes pour les synthèses prébiotiques.
Une autre explication pourrait-être que l'eau des océans ne provienne pas en totalité du dégazage mais d'un autre phénomène comme la chute de comètes.
En conclusion, on considérera ce genre de graphique avec beaucoup de recul et de modestie. Celui que nous vous proposons ci-dessous n'échappe pas à cette règle.
Évolution de la composition de l'atmosphère pendant le premier milliard d'années qui suit la formation de la Lune. Les échelles des axes sont en coordonnées logarithmiques pour faciliter la représentation des données qui ont de fortes variations. Les températures de la surface sont en Kelvin (0°C = 273 K), l'estimation des volumes des gaz de l'atmosphère sont en bar, une unité de pression, ce qui a l'avantage de donner une idée de l'évolution de la pression atmosphérique, Ma : millions d'années, Ga : milliards d'années, bp avant aujourd'hui. D’après Zahnle (2006) modifié pour CO2 et N2.