Comment les océans de la Terre ont-ils été remplis ?

Publié par Jerome le novembre 11, 2018 | Maj le novembre 11, 2018

La Terre se distingue en étant la planète bleue. Un lieu privilégié couvert de grands océans, lacs et rivières qui permettent le développement de la vie. L’origine de toute cette eau a toujours été une question qui a fasciné les scientifiques. L’une des théories les plus acceptées par la communauté scientifique est que ses éléments, l’hydrogène et l’oxygène, proviennent de l’extérieur, à bord des astéroïdes et des comètes. Mais il aurait pu y avoir une autre source qui jusqu’à présent était passée inaperçue et qui est plus ancienne que la planète elle-même et même plus vieille que le Soleil ! Une équipe de géoscientifiques de l’Arizona State University (USA) pense l’avoir trouvé là où le bon sens de quiconque sans préparation scientifique ne regarderait jamais : dans la nébuleuse de formation du Soleil.

“Les comètes contiennent beaucoup de glace et, en théorie, elles auraient pu fournir de l’eau “, explique Steven Desch, astrophysicien et l’un des scientifiques de l’équipe. Les astéroïdes, ajoute-t-il, sont aussi une source d’eau, moins riche, mais toujours abondante. Cependant, il existe une autre façon dont l’eau aurait pu se former aux premiers temps du système solaire. “Parce que l’eau est de l’hydrogène et de l’oxygène, et que l’oxygène est abondant, n’importe quelle source d’hydrogène aurait pu servir de source d’eau de la Terre “, note le chercheur.

Au début, l’hydrogène gazeux était le principal ingrédient de la nébuleuse solaire, les gaz et la poussière à partir desquels le Soleil et les planètes, y compris la nôtre, se sont formés. Si l’hydrogène abondant dans la nébuleuse avait pu se combiner avec le matériau rocheux de la Terre au moment de sa formation, cela aurait pu être l’origine ultime des océans terrestres.

“La nébuleuse solaire a reçu le moins d’attention parmi les théories existantes, bien qu’elle ait été le réservoir prédominant d’hydrogène dans notre système solaire primitif “, déclare Jun Wu, auteur principal de l’article publié dans le Journal of Geophysical Research.

Un peu d’alchimie

Pour faire la distinction entre les sources d’eau, les scientifiques utilisent la chimie isotopique et mesurent le rapport entre deux types d’hydrogène. Presque tous les atomes d’hydrogène ont un noyau qui est un seul proton. Mais dans environ un atome d’hydrogène sur 7 000, le noyau contient un neutron en plus du proton. Cet isotope est appelé “hydrogène lourd” ou deutérium, symbolisé par D.

Le rapport du nombre d’atomes D au nombre d’atomes H ordinaires s’appelle le rapport D/H et sert d’empreinte digitale pour déterminer d’où vient cet hydrogène. Par exemple, l’eau des astéroïdes a un D/H d’environ 140 parties par million (ppm), tandis que l’eau des comètes est plus élevée, de 150 ppm à 300 ppm.

Les scientifiques savent que la Terre a un océan global d’eau à sa surface et environ deux océans plus dissous dans les roches de son manteau. Cette eau a un rapport D/H d’environ 150 ppm, qui se marie très bien avec une source d’astéroïdes.

Les comètes, avec leurs rapports D/H plus élevés, sont de pires sources. En principe, comme le D/H de l’hydrogène gazeux dans la nébuleuse solaire n’était que de 21 ppm, il était trop faible pour fournir de grandes quantités d’eau à la Terre. En fait, le matériau de l’astéroïde est si bon que jusqu’à présent, les chercheurs ont écarté les autres sources. Mais l’équipe de Wu souligne que le gaz de la nébuleuse solaire ne doit pas être ignoré, car d’autres facteurs et processus ont changé le D/H de l’hydrogène terrestre depuis sa formation.

Jusqu’à huit océans dans le monde

La clé est un processus qui combine la physique et la géochimie, dont l’équipe a découvert qu’il permettait de concentrer l’hydrogène dans le noyau tout en augmentant la quantité relative de deutérium dans le manteau de la Terre.

Le processus a commencé assez tôt lorsque les planètes autour du Soleil ont commencé à se former et à croître par la fusion de blocs de construction primitifs appelés embryons planétaires. Ces objets de tailles allant de la Lune à Mars se sont développés très rapidement au début du système solaire, entrant en collision et accumulant les matériaux de la nébuleuse solaire.

À l’intérieur des embryons, des éléments radioactifs en décomposition ont fait fondre le fer qui a piégé l’hydrogène des astéroïdes et a coulé pour former un noyau. Le plus grand embryon a connu une énergie de collision qui a fait fondre toute sa surface, ce que les scientifiques appellent un océan de magma. Le fer fondu dans le magma a arraché l’hydrogène de l’atmosphère primitive en développement, dérivé de la nébuleuse solaire. Le fer a transporté cet hydrogène, ainsi que l’hydrogène provenant d’autres sources, jusqu’au manteau de l’embryon planétaire. Avec le temps, l’hydrogène se concentre dans le noyau de l’embryon.

Pendant ce temps, un autre processus important se déroulait entre le fer en fusion et l’hydrogène. Les atomes de deutérium (D) n’aiment pas autant le fer que leurs homologues H, ce qui provoque un léger enrichissement en H du fer fondu et laisse relativement plus de D dans le magma. De cette façon, le noyau a graduellement développé un rapport D/H inférieur à celui du manteau de silicate, qui s’est formé après le refroidissement de l’océan de magma.

Dans un deuxième temps, les embryons sont entrés en collision et se sont fusionnés pour devenir un proto-Terre. Une fois de plus, un océan de magma s’est formé à la surface et, une fois de plus, l’excès de fer et d’hydrogène a pu subir des processus similaires à ceux de la première étape, complétant ainsi la livraison des deux éléments au cœur du proto-Terre.

“En plus de l’hydrogène capturé par les embryons, nous espérions qu’ils captureraient également du carbone, de l’azote et des gaz nobles de la nébuleuse solaire précoce. Ils auraient dû laisser des traces d’isotopes dans la chimie des roches les plus profondes, ce que nous pouvons rechercher “, explique Wu. L’équipe a modélisé le processus et vérifié ses prévisions à partir d’échantillons de roches mantéliques, qui sont rares à la surface de la Terre aujourd’hui.

“Nous avons calculé la quantité d’hydrogène dissous dans les manteaux de ces corps qui aurait pu se retrouver dans leur noyau, explique l’astrophysicien Steven Desch, membre de l’équipe. “Nous l’avons ensuite comparé avec des mesures récentes du rapport D/H dans des échantillons du manteau profond de la Terre. Cela a permis à l’équipe d’établir des limites quant à la quantité d’hydrogène dans le noyau et le manteau de la Terre.

“Le résultat final, dit Desch, est que la Terre s’est probablement formée avec sept ou huit océans d’hydrogène mondiaux. En fait, la plupart de ces données proviennent de sources d’astéroïdes. Mais quelques dixièmes de l’hydrogène d’un océan proviennent du gaz de la nébuleuse solaire.

Selon Wu, ” notre planète cache la majeure partie de son hydrogène à l’intérieur, avec environ deux océans globaux dans le manteau, quatre ou cinq dans le noyau, et bien sûr, un océan global à la surface.

Au-delà du système solaire

Selon l’équipe, la nouvelle découverte correspond parfaitement aux théories actuelles sur la formation du Soleil et des planètes. Elle a également des implications pour les planètes habitables au-delà du système solaire. Les astronomes ont découvert plus de 3 800 mondes en orbite autour d’autres étoiles, et bon nombre d’entre eux semblent être des corps rocheux comme les nôtres.

Bon nombre de ces exoplanètes auraient pu se former loin des régions où des astéroïdes riches en eau et d’autres éléments constitutifs auraient pu émerger. Cependant, ils auraient pu encore recueillir de l’hydrogène gazeux dans les nébuleuses de leurs propres étoiles de la même façon que la Terre l’a fait. “Nos résultats suggèrent que la formation d’eau est probablement inévitable sur des planètes rocheuses suffisamment grandes dans les systèmes extrasolaires “, conclut l’équipe.

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