Refroidissement de la Terre

Après la formation d’une croûte solide de composition basaltique, la surface de la Terre a continué à se refroidir rapidement. Ceci a donc permis la condensation de la vapeur d’eau. D’où un véritable déluge universel avec des pluies soutenues. Un tel déluge a ainsi aboutit, en moins d’un millier d’années, à la formation des océans terrestres. Le taux de précipitation avoisinait alors 7 000 mm par an. Ceci correspond à environ 10 fois le taux de précipitation actuel aux latitudes tropicales. Si la pression atmosphérique en surface est de plusieurs centaines de bars, l’eau se condense et précipite dès 600 K. La composition isotopique des zircons, suggère la présence d’eau liquide stable à relativement basse température vers 4,40-4,35 milliards d’années. Le refroidissement de la Terre fut donc un processus rapide.

Des températures inférieures à 600 K, soit environ 330°C, ont très probablement été atteintes 50-150 millions d’années après la formation de la Terre. Ces océans néoformés étaient bien sûr trop chauds pour autoriser le développement de la vie. Or, on sait qu’il existe des êtres organismes dits « hyper-thermophiles », quine peuvent vivre que dans les eaux bouillantes. D’après nos connaissances sur ces organismes extrémophiles, leur température maximale de survie est comprise entre 80 et 110°C. On a vu que lorsque le flux de chaleur terrestre tomba en dessous de 100 W·m^-2, la température des océans passa sous le contrôle direct de l’effet de serre. Des températures de 60 à 110°C peuvent être atteintes à l’équilibre avec une atmosphère résiduelle de 5-25 bars de dioxyde de carbone CO₂.

Réaction de carbonatation

Si l’on suppose une pression initiale de CO₂ de 210 bars, cela implique de pouvoir recycler efficacement 185-205 bars de CO₂ dans le manteau terrestre. On soupçonne que la carbonatation de la proto-croûte océanique fut le moteur principal de cette extraction du CO₂ de l’atmosphère, via la série de réactions :

CaSiO₃ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃^– + SiO₂
Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO₃ + H₂CO₃

Le calcaire CacO₃ ainsi formé pourrait avoir été recyclé à l’intérieur de la Terre par subduction. Ceci implique donc l’existence d’une activité tectonique dès 4,4-4,3 milliards d’années. Bien que cela soit très probable, il n’existe cependant pas d’évidence directe. Car, les traces géologiques sont extrêmement rares. Si l’on prend en compte l’instabilité d’une proto-croûte jeune et fine, la fusion partielle causée par l’impact des météorites pour avoir permis une sorte de recyclage de la croûte. Il a été ainsi estimé que le taux actuel de recyclage du CO₂ était de 2,3 x 10¹³ moles par an. Cela signifie que pour retirer de l’atmosphère 40-210 bars de CO₂, il faut compter entre 200 millions et 1 milliard d’années.

Toutefois, la génération et le recyclage de la croûte océanique était probablement plus rapide au cours de l’Hadéen. Ceci en raison de la quantité de chaleur plus grande qu’il fallait évacuer de l’intérieur terrestre extrêmement chaud. D’où une convection du manteau vigoureuse. On estime ainsi un taux de recyclage de 2 à 3 fois supérieur à celui existant actuellement, avec un maximum théorique de 150 x 10¹² moles par an. Avec ce taux plus rapide, le CO₂ dans l’atmosphère aurait pu être recyclé entre 30 et 160 millions d’années.

Stabilité thermique des océans

Cela signifie qu’à une époque comprise entre 4,3 et 4,2 milliards d’années, les océans étaient formés et suffisamment froids. Ils pouvaient donc assurer la survie des premières communautés vivantes, très probablement sous la forme d’hyper-thermophiles. Il est toutefois fort probable que la température des océans ne fut pas très stable durant cette période en raison des impacts successifs d’astéroïdes et de comètes. Ces derniers ont très bien pu augmenter la température localement au-delà de 110°C, voire plus (> 300°C). D’où l’évaporation partielle des océans et leur recondensation. Les océans ne sont donc vraiment devenus stables que vers la fin de l’Hadéen. Soit, il y a environ 3,9 milliards d’années, dès que le bombardement météoritique massif de la Terre pris fin. Ce n’est qu’à partir de ce moment-là qu’une véritable chimie océanique a pu se mettre en place.

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.