Atmosphère terrestre

Il y a environ 4,5 milliards d’années une collision avec un astéroïde donne naissance à la Lune. Cet évènement cosmique permet donc de fixer le temps zéro (T₀) pour la formation des océans. Après la collision, le globe se refroidit. Cela provoque la précipitation des silicates vaporisés lors de la collision. L’atmosphère résiduelle de la Terre est alors constituée principalement de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone CO₂. Le niveau d’azote est de l’ordre de 1% du volume total, et donc négligeable. Supposons que toute la masse d’eau des océans actuels (1,4 x 10²¹ kg) soit présente dans l’atmosphère. La pression partielle exercée par cette masse de vapeur d’eau aurait été de 270 bars.

Effet de serre géant

À cette pression, il faut évidemment rajouter la pression partielle de CO₂. On peut supposer que la quantité de CO₂ de l’atmosphère primordiale correspondait à la quantité de carbone actuel préservé sous forme de carbonates. Soit 3,65 x 10²¹ mol, additionnée de celle contenue dans les sédiments continentaux, soit 1,12 x 10²¹ mol et du carbone de la biosphère, soit 2,6 x 10¹⁷ mol.

Ce total produit une pression partielle atmosphérique de 40 bars. Si l’on tient compte également de la quantité de carbone présente dans le manteau aujourd’hui, soit 2,5 x 10²² mol, on arrive à 170 bars de pression partielle. Dans ces conditions l’atmosphère primordiale aurait été un mélange dense de 270 bars de vapeur d’eau et de 40-210 bars de CO₂. Donc, une atmosphère très similaire à celle de Vénus. L’existence de cette atmosphère très dense produite par le mélange de gaz H₂O-CO₂ a dominé la deuxième phase de formation des océans terrestres. Par effet boule de neige, il y a eu, à cette époque, un effet de serre géant.

Condensation de l’eau

Cet effet de serre a contribué à maintenir la surface de la Terre en fusion. Du moins, tant que le flux de chaleur en provenance de l’intérieur de la Terre était supérieur à 150 W·m^-2. Cette valeur critique correspond à la différence entre le seuil d’effet de serre critique et la chaleur apportée par le Soleil. Pour un flux de chaleur par unité de surface inférieur à cette valeur critique, l’effet de serre boule de neige ne peut plus être maintenu. Ceci entraîne donc un refroidissement rapide de la surface de la Terre. En quelques millions d’années, la surface atteint une température voisine de 1300 K. Cette valeur est suffisamment basse pour produire une croûte solide de composition basaltique. Ce phénomène permit d’isoler l’atmosphère de l’intérieur chaud de la Terre. La surface de la Terre continua ainsi à refroidir rapidement, permettant la condensation de la vapeur d’eau.

Référence

Daniele L. Pinti (2005), «The Origin and Evolution of the Oceans», Lectures in Astrobiology, Vol. 1. M. Gargaud, B. Barbier, H. Martin & J. Reisse Eds, Springer-Verlag, New York, Berlin, p.83-112