Les étapes de la formation de la Terre
Il y a 5 milliards d'années, la Terre n'existait pas. A la périphérie de notre galaxie, la voie lactée, il n'y avait qu'un vaste nuage de gaz et de poussières. A l'origine de ce nuage : l'explosion d'une supernova.
Comment ce nuage de poussières a-t-il engendré la Terre ?
Ce nuage de poussière est appelé nuage moléculaire. Ce nuage est immense, plusieurs centaines d'années lumière (quelques milliards de km) de diamètre. Il est formé de débris d'étoiles ayant appartenu à un univers primitif, étoiles qui auraient explosé après avoir consumé toute leur énergie. Lors de l'explosion, les particules (dont des éléments lourds (fer, nickel, aluminium, silicone...)) qui constituaient ces étoiles ont été vaporisées à travers toute la galaxie. Puis, sous l'effet d'une force, la gravité, ces particules se sont rassemblées pour former des étoiles et des planètes.
Sous l'effet des forces gravitationnelles, les particules du nuage moléculaire se sont agglomérées, puis, pendant une dizaine de millions d'années, le nuage s'est comprimé lentement sous l'effet de sa propre gravité. Cette compression a provoqué l'accroissement de la vitesse de rotation du nuage. L'énergie dégagée par l'apport de matière a réchauffé le centre du nuage.
Cette boule en rotation est devenue notre Soleil (1,4 millions de km de diamètre) !
Le reste du nuage, la nébuleuse solaire, s'est étiré pour former un disque de matière. L'accrétion des particules a permis la formation d'objets plus gros : les planétésimaux (quelques mètres à quelques dizaines de mètres de diamètre). La naissance du système solaire aurait duré 10 à 15 millions d'années.
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Grâce à quel processus des poussières se sont-elles transformées en planète ?
En mars 2003, une expérience informelle réalisée par l'astronaute Donald Pettit dans la station spatiale internationale, a permis de comprendre ce processus. Cet astronaute s'amusait à observer des sachets contenant du sel en apesanteur. L'intérêt de l'observation de D. Pettit fut révélé par un autre astronaute : Stanley Love.
Particules de sel en apesanteur
En apesanteur, lorsque deux cristaux de sel entrent en collision, cela crée une charge électrostatique qui les force à s'agglomérer. Si on secoue le sac plastique contenant l'amas, il se désagrège mais dès que l'on arrête, l'amas se reforme.
Cette première phase d'existence de la Terre (amas de poussières) aurait eu lieu il y a 4,5 milliards d'années.
Lorsque cet amas atteint une taille suffisante (800 mètres de diamètre), sa masse est si importante qu'il aspire la poussière présente dans le disque environnant.
Pendant environ trois millions d'années, dans le système solaire interne, ces amas vont se regrouper pour former une vingtaine de protoplanètes.
Puis les protoplanètes entrent en collision et fusionnent pour donner quelques planètes dont Vénus, Mercure, Mars et la Terre. Notre Terre se serait formée sur une période d'environ 30 millions d'années ; ce qui restait du nuage a donné la ceinture d'astéroïdes dont provient l'essentiel des météorites. Les chocs aléatoires ont conduit à la formation de corps plus gros que ceux déjà formés ou à leur désintégration.
La température de cette Terre primitive est d'environ 4700°C (chaleur due aux collisions). Cette Terre est donc formée de matière en fusion. Petit à petit, la Terre se refroidit, les éléments les plus légers remontant vers la surface et les plus lourds (fer) s'enfonçant pour former un noyau. La solidification du noyau interne de la Terre aurait commencé il y a 3,5 milliards d'années.
Le matériau terrestre initial est constitué de fer à plus de 85% sous forme métallique réduite, et à moins de 15% sous forme métallique oxydée (ces proportions ont été obtenues à partir de l'analyse des chondrites).
Les météorites carbonatées dites CI (carbonatées de type Ivuna) auraient une composition chimique qui se rapprocherait de celle de la nébuleuse solaire primitive. Or ce matériau était initialement très oxydé. Pour pouvoir former les planètes, ce matériau a dû être réduit. A l'origine de cette réduction : un rayonnement constitué d'hydrogène chaud (un phénomène semblable est à l'origine de la formation des chondrites à enstatite (modèles pour la formation de la Terre), rayonnement correspondant à la phase T Tauri du Soleil (rayonnement d'étoile jeune observé pour la première fois dans la constellation du Taureau).
La Terre s'est donc refroidie jusqu'à atteindre une température de 1100°C.
Alors que la Terre a environ 50 millions d'années, elle va entrer en collision avec une autre protoplanète (de la taille de Mars). Cette collision sera telle que la Terre va "fondre". Cette collision serait à l'origine de "l'éjection de la Lune". La Lune se serait formée par agglomération des résidus de roche vaporisés lors de l'impact.
Au départ, la Lune était beaucoup plus proche de la Terre qu'actuellement, sa présence a engendré les marées.
La collision a probablement modifié l'axe de rotation de la Terre, cette inclinaison est à l'origine des saisons.
L'impact qui a donné naissance à la Lune aurait aussi déterminé la différenciation de la Terre et son organisation en plusieurs couches. Les deux objets qui sont entrés en collision avaient déjà chacun un noyau. Lors du choc les deux noyaux auraient fusionné et donné un seul noyau. A la suite de l'impact, la surface de la Terre serait restée en fusion pendant des milliers d'années, formant un "océan magmatique" d'au moins 1 000 km de profondeur. La fusion des silicates a produit un magma appauvri en silicium. Les solides résiduels silicatés, plus denses, ont constitué le manteau inférieur. L'alliage fer/nickel liquide, encore plus dense, a migré vers le centre, réduisant sur son passage une partie des silicates en silicium, incorporant ce silicium ainsi que de l'oxygène. Cette migration (en moins d'un million d'années) a entraîné tous les éléments ayant une forte affinité pour le fer tels que le platine, l'or, l'iridium, le tungstène...
Lors de la fusion du manteau supérieur, la quasi totalité des gaz se sont échappés, contribuant à la formation de l'atmosphère.
A l'issue de cette différenciation primitive, il y a 4535 millions d'années, la Terre était donc constituée d'un noyau liquide d'environ 3400 km de diamètre, d'un manteau inférieur (1900 km d'épaisseur) et d'un manteau supérieur (océan magmatique d'environ 1000 km d'épaisseur).
Cette Terre primitive a failli disparaître à cause d'une tempête solaire. Mais son noyau, par un effet dynamo, a protégé la Terre en créant un bouclier magnétique : la magnétosphère. Sans son noyau, la Terre ne pourrait pas conserver une atmosphère. Cette atmosphère primitive contenait sûrement des gaz rares (néon, argon, krypton...), peu d'hélium, du dioxyde de carbone et de l'azote.
A ce stade de son histoire, la Terre ne possède toujours pas de croûte ni d'eau. En effet le système solaire interne est encore beaucoup trop chaud pour que l'eau puisse exister à l'état liquide. D'une part les matériaux constituant la Terre primitive ne contenaient pas assez d'Hydrogène pour que son oxydation puisse former de l'eau, et d'autre part l'hydrogène terrestre n'a pas la bonne signature isotopique (peu ou pas de deutérium).
La formation de la croûte terrestre
Les bombardements par des météorites ont continué. La Lune a conservé des traces de ces anciens bombardements. Sur Terre, ces bombardements ont effacé les traces de la formation de la première croûte. Certains radiochronomètres permettent tout de même de dater le début de la formation de la croûte archéenne à 4,47 milliards d'années, soit 100 millions d'années après le début de la formation du système solaire.
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Actuellement, l'hypothèse retenue concernant l'arrivée de l'eau sur Terre est la suivante : l'eau aurait été apportée pour moitié par une pluie de météorites provenant de l'extérieur de la ceinture d'astéroïdes. Les comètes contiennent 50% d'eau et cette eau contient deux fois plus de deutérium que l'eau terrestre. L'autre moitié de l'eau terrestre aurait pour origine le dégazage du manteau (l'eau mantélique ne contient quasiment pas de deutérium). En mélangeant les deux types d'eau, on obtient la quantité de deutérium correspondant à la signature isotopique de l'eau terrestre.
Mais quel phénomène aurait pu être à l'origine de cette pluie de météorites ?
La course de ces météorites aurait pu être modifiée par le champ de gravité de la plus grosse planète du système solaire : Jupiter.
En se désintégrant lors de leur collision avec la Terre, les météorites auraient libéré de l'eau. Au fil des collisions les océans seraient apparus.
Contrairement à ce que l'on a longtemps pensé, la formation des océans aurait été relativement rapide. Le géologue Stephen Mojzsis, en mesurant la teneur en oxygène de zircons extraits des plus anciennes roches terrestres, pense que les roches auxquelles appartenaient ces zircons se sont formées en présence d'eau.
A partir de l'âge des zircons (environ 4 milliards d'années), S. Mojzsis a estimé que les océans avaient mis environ 150 millions d'années à se former.
150 millions d'années après sa formation, notre Terre avait donc des océans riches en fer (de couleur verte) et son atmosphère plus dense que l'actuelle lui donnait une teinte rougeâtre. La température à la surface était certainement de l'ordre de 93°C.
Les gaz qui constituent cette atmosphère primitive sont le diazote, le dioxyde de carbone et le méthane.
Petit à petit le bombardement météoritique va se ralentir.
C'est l'étude des stromatolithes qui va fournir une explication à l'apparition du dioxygène de l'atmosphère. Ces cyanobactéries utilisent du dioxyde de carbone et la lumière et rejettent du dioxygène.
Dans la région du Pilbara (Australie) on peut voir les plus anciens fossiles de stromatolithes (présents il y a environ 3,5 milliards d'années).
Cependant, le dioxygène formé par ces premiers stromatolithes ne s'est pas accumulé dans l'atmosphère. Pourquoi?
Un élément de réponse est apporté par des roches situées dans le parc national de Zarijini (Australie). Ces formations rocheuses se sont formées il y a 2,5 milliards d'années. Le dioxygène libéré par les stromatolithes aurait réagi avec le fer pour former de l'oxyde de fer. Les premiers océans, saturés en fer, auraient absorbé le dioxygène pendant 1 milliard d'années. Les roches de Zarijini se seraient formées par précipitation des oxydes de fer.
Il y a 2,5 milliards d'années, le fer des océans est entièrement oxydé, du dioxygène commence à s'accumuler dans l'atmosphère. Au cours des 2 milliards d'années suivants, le taux de dioxygène va augmenter pour atteindre un taux nécessaire à la vie il y a 500 millions d'années.
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