Crédit d'image: Stanford
Si une machine à remonter le temps pouvait nous ramener de 4,6 milliards d'années à la naissance de la Terre, nous verrions notre soleil briller de 20 à 25% moins fortement qu'aujourd'hui. Sans serre terrestre pour piéger l’énergie du soleil et réchauffer l’atmosphère, notre monde serait une boule de glace en rotation. La vie n'a peut-être jamais évolué.
Mais la vie a évolué, donc les gaz à effet de serre devaient être présents pour réchauffer la Terre. Les preuves tirées des archives géologiques indiquent une abondance du dioxyde de carbone des gaz à effet de serre. Le méthane était probablement également présent, mais ce gaz à effet de serre ne laisse pas suffisamment d’empreinte géologique pour être détecté avec certitude. L'oxygène moléculaire n'était pas là, indiquent les roches de l'époque, qui contiennent du carbonate de fer au lieu de l'oxyde de fer. Les empreintes digitales de pierre des cours d'eau, des océans liquides et des minéraux formés par évaporation confirment qu'il y a 3 milliards d'années, la Terre était suffisamment chaude pour l'eau liquide.
Maintenant, les données géologiques révélées dans certaines des plus anciennes roches de la Terre racontent une histoire surprenante d'effondrement de cette serre - et de sa régénération ultérieure. Mais encore plus surprenant, disent les scientifiques de Stanford qui rapportent ces résultats dans le numéro du 25 mai de la revue Geology, le rôle critique que les roches ont joué dans l'évolution de l'atmosphère primitive.
"C'est vraiment la première fois que nous essayons de dresser un tableau de la façon dont l'atmosphère primitive, le climat précoce et l'évolution continentale précoce sont allés de pair", a déclaré Donald R. Lowe, professeur de sciences géologiques et environnementales qui a écrit le papier avec Michael M. Tice, un étudiant diplômé enquêtant sur la petite enfance. Le programme d'exobiologie de la NASA a financé leur travail. «Dans le passé géologique, le climat et l'atmosphère étaient vraiment profondément influencés par le développement des continents.»
Le record dans les rochers
Pour rassembler des indices géologiques sur ce à quoi ressemblait l'atmosphère primitive et comment elle a évolué, Lowe, un géologue de terrain, a passé pratiquement chaque été depuis 1977 en Afrique du Sud ou en Australie-Occidentale à collecter des roches qui sont, littéralement, plus anciennes que les collines. Certaines des roches les plus anciennes de la Terre, elles ont entre 3,2 et 3,5 milliards d'années.
"Plus vous reculez, en général, plus il est difficile de trouver un record fidèle, des roches qui n'ont pas été tordues et pressées et métamorphisées et autrement modifiées", explique Lowe. "Nous regardons en arrière à peu près aussi loin que le dossier sédimentaire va."
Après avoir mesuré et cartographié les roches, Lowe ramène des échantillons à Stanford pour les découper en sections si fines que leurs caractéristiques peuvent être révélées au microscope. Les collaborateurs participent aux analyses géochimiques et isotopiques et à la modélisation informatique qui révèlent davantage l’histoire des roches.
Le dossier géologique raconte une histoire dans laquelle les continents ont retiré le dioxyde de carbone des gaz à effet de serre d'une atmosphère primitive qui pouvait être aussi chaude que 70 degrés Celsius (158 F). A cette époque, la Terre était principalement océanique. Il faisait trop chaud pour avoir des calottes polaires. Lowe émet l'hypothèse que la pluie combinée au dioxyde de carbone atmosphérique pour produire de l'acide carbonique, qui a résisté aux montagnes saillantes de la croûte continentale nouvellement formée. L'acide carbonique s'est dissocié pour former des ions d'hydrogène, qui ont trouvé leur chemin dans les structures des minéraux d'altération, et du bicarbonate, qui a été transporté le long des rivières et des ruisseaux pour être déposé sous forme de calcaire et d'autres minéraux dans les sédiments océaniques.
Au fil du temps, de grandes plaques de croûte océanique ont été abaissées ou subduites dans le manteau terrestre. Le carbone qui était enfermé dans cette croûte a été essentiellement perdu, attaché pendant 60 millions d'années environ, de sorte qu'il a fallu que les minéraux soient recyclés à la surface ou dégazés à travers les volcans.
L'atmosphère chaude du début contenait probablement aussi du méthane, dit Lowe. Comme les niveaux de dioxyde de carbone ont chuté en raison des intempéries, à un moment donné, les niveaux de dioxyde de carbone et de méthane sont devenus à peu près égaux, conjecture-t-il. Cela a provoqué l'aérosolisation du méthane en fines particules, créant une brume semblable à celle qui est aujourd'hui présente dans l'atmosphère de la lune de Saturne Titan. Cet «effet Titan» s'est produit sur Terre il y a 2,7 à 2,8 milliards d'années.
L'effet Titan a éliminé le méthane de l'atmosphère et la brume a filtré la lumière; les deux ont provoqué un refroidissement supplémentaire, peut-être une baisse de température de 40 à 50 degrés Celsius. Finalement, il y a environ 3 milliards d'années, la serre vient de s'effondrer, théorisent Lowe et Tice, et la première glaciation de la Terre a peut-être eu lieu il y a 2,9 milliards d'années.
La montée après la chute
Ici, les rochers révèlent une tournure étrange dans l'histoire - la régénération éventuelle de la serre. Rappelons qu'il y a 3 milliards d'années, la Terre était essentiellement Waterworld. Il n’y avait pas de plantes ou d’animaux qui affectaient l’atmosphère. Même les algues n'avaient pas encore évolué. Les microbes photosynthétiques primitifs étaient présents et pourraient avoir joué un rôle dans la génération de méthane et l'utilisation mineure de dioxyde de carbone.
Tant que l'altération continentale rapide a continué, du carbonate a été déposé sur la croûte océanique et subduit dans ce que Lowe appelle "une grande installation de stockage ... qui a gardé la plupart du dioxyde de carbone hors de l'atmosphère."
Mais à mesure que le dioxyde de carbone était retiré de l'atmosphère et incorporé dans la roche, l'altération ralentissait - il y avait moins d'acide carbonique pour éroder les montagnes et les montagnes devenaient plus basses. Mais les volcans crachaient encore dans l'atmosphère de grandes quantités de carbone provenant de la croûte océanique recyclée.
«Alors, finalement, le niveau de dioxyde de carbone grimpe à nouveau», explique Lowe. "Il ne reviendra peut-être jamais à son niveau glorieux de 70 degrés centigrades, mais il a probablement grimpé pour réchauffer la Terre."
Cet été, Lowe et Tice collecteront des échantillons qui leur permettront de déterminer la température de cet intervalle de temps, il y a environ 2,6 à 2,7 milliards d'années, pour avoir une meilleure idée de la chaleur de la Terre.
De nouveaux continents se sont formés et ont survécu, retirant à nouveau le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Il y a environ 3 milliards d'années, peut-être 10 ou 15% de la surface actuelle de la Terre dans la croûte continentale s'étaient formés. Il y a 2,5 milliards d'années, une énorme quantité de nouvelle croûte continentale s'était formée - environ 50 à 60 pour cent de la superficie actuelle de la croûte continentale. Au cours de ce deuxième cycle, l'altération de la plus grande quantité de roche a provoqué un refroidissement atmosphérique encore plus important, provoquant une glaciation profonde il y a environ 2,3 à 2,4 milliards d'années.
Au cours des derniers millions d'années, nous avons oscillé entre les époques glaciaire et interglaciaire, dit Lowe. Nous sommes actuellement dans une période interglaciaire. C’est une transition - et les scientifiques tentent toujours de comprendre l’ampleur du changement climatique mondial causé par les humains dans l’histoire récente par rapport à celui provoqué par les processus naturels au cours des âges.
"Nous perturbons le système à des taux qui dépassent largement ceux qui ont caractérisé les changements climatiques dans le passé", a déclaré Lowe. «Néanmoins, pratiquement toutes les expériences, pratiquement toutes les variations et tous les changements climatiques que nous essayons de comprendre aujourd'hui se sont déjà produits. La nature a déjà fait la plupart de ces expériences. Si nous pouvons analyser les climats anciens, les compositions atmosphériques et l'interaction entre la croûte, l'atmosphère, la vie et le climat dans le passé géologique, nous pouvons faire quelques premiers pas pour comprendre ce qui se passe aujourd'hui et qui se produira probablement demain. »
Source d'origine: communiqué de presse de Stanford
