Mots-clés |
  • Univers,
  • Système solaire,
  • climatologie,
  • méthane,
  • gaz à effet de serre

Le paradoxe du jeune Soleil faible est peut-être résolu

Pendant l'Archéen (entre 3,8 et 2,5 milliards d'années), le Soleil était moins brillant qu'aujourd'hui et la Terre primitive aurait dû se trouver au-delà de la zone d'habitabilité, complètement glacée. Pourtant, des océans y existaient : c'est le « paradoxe du jeune Soleil faible ». Une simulation sur ordinateur vient de pointer vers l'existence, dans les jeunes années de la Terre, d'un effet de serre compensant la faiblesse solaire.

Une vue d'artiste de la Terre de l'Archéen, alors que le Soleil était moins lumineux de 20 à 30 %. Des gaz à effet de serre devaient probablement maintenir un climat suffisamment chaud pour éviter que toute la planète ne soit couverte de glace. Pour la première fois, une simulation du climat de l'époque en 3D est assez réaliste pour que l'on puisse raisonnablement soutenir que ces gaz ont bien permis à la vie d'apparaître et de se développer à ce moment-là. © Charlie Meeks Une vue d'artiste de la Terre de l'Archéen, alors que le Soleil était moins lumineux de 20 à 30 %. Des gaz à effet de serre devaient probablement maintenir un climat suffisamment chaud pour éviter que toute la planète ne soit couverte de glace. Pour la première fois, une simulation du climat de l'époque en 3D est assez réaliste pour que l'on puisse raisonnablement soutenir que ces gaz ont bien permis à la vie d'apparaître et de se développer à ce moment-là. © Charlie Meeks

Le paradoxe du jeune Soleil faible est peut-être résolu - 2 Photos

PDF

En 1972, Carl Sagan est encore un parfait inconnu. Il n’a pas encore lancé le message d’Arecibo avec Franck Drake, bien qu’il soit déjà à l’origine cette année-là de la plaque de Pioneer. Et surtout, sa désormais mondialement célèbre série télévisée Cosmos n’existe pas encore. Mais avec son collègue George Mullen il prend conscience à cette époque d’un paradoxe majeur en astrobiologie, connu aujourd’hui sous le nom de paradoxe du jeune Soleil faible.

Les deux astrophysiciens savent en effet que selon la théorie de l’évolution stellaire, le Soleil devait être de 20 à 30 % moins lumineux pendant l’Archéen, il y a environ 3,5 milliards d’années. Or, si tel était bien le cas, la zone d’habitabilité autour de notre étoile devait être différente. Plus précisément, cela implique que la Terre était trop loin du Soleil pour que de l’eau liquide existe à sa surface. Néanmoins, il existe des preuves indéniables de la présence de cette eau sous forme d'océans.

Un effet de serre dans une atmosphère en « 1D »

On peut bien évidemment résoudre ce paradoxe en invoquant la présence massive de gaz à effet de serre dans l’atmosphère de l’Archéen. Mais il fallait pour cela construire des modèles du climat avec une atmosphère dépourvue d’oxygène et riche en CO2, et contenant éventuellement des quantités non négligeables de méthane. Cela avait été fait mais avec des modèles très simplifiés de l’atmosphère de la jeune Terre puisqu’ils étaient notamment en « 1D ». Diverses conclusions contradictoires en avaient été tirées, mais aucune solution ferme au paradoxe du jeune Soleil faible n’avait été atteinte.

L’énigme est peut-être en phase d’être résolue, grâce aux travaux menés par Brian Toon et Eric Wolf, et qui viennent d’être publiés dans un article du journal Astrobiology.

Carl Sagan a marqué bon nombre d'esprits de par le monde avec sa célèbre série Cosmos. Il a éveillé bien des vocations d'astronomes et d'exobiologistes. Aujourd'hui, un de ses anciens élève en doctorat apporte des éléments de réponse nouveaux au paradoxe qu'il avait découvert au début des années 1970 concernant l'habitabilité de la Terre pendant l'Archéen.
Carl Sagan a marqué bon nombre d'esprits de par le monde avec sa célèbre série Cosmos. Il a éveillé bien des vocations d'astronomes et d'exobiologistes. Aujourd'hui, un de ses anciens élève en doctorat apporte des éléments de réponse nouveaux au paradoxe qu'il avait découvert au début des années 1970 concernant l'habitabilité de la Terre pendant l'Archéen. © Nasa

6.000 heures de calculs pour une atmosphère de l'Archéen en 3D

Brian Toon est un ancien élève doctorant de Sagan et avec son étudiant Eric Wolf, il a utilisé la puissance des superordinateurs modernes pour tenter de mettre un point final aux discussions concernant l’énigme révélée par Sagan et Mullen. Grâce au supercalculateur Janus, les deux chercheurs ont pu effectuer des simulations plus réalistes du climat de la Terre archéenne, notamment parce que ces calculs ont été conduits en 3D. Ce travail colossal a nécessité environ 6.000 heures de temps de calcul, ce qui aurait pris environ 10 ans sur un ordinateur classique.

Wolf et Toon ont utilisé un modèle de circulation atmosphérique général, connu sous le nom de Community Atmosphere Model (CAM) version 3.0, développé par le National Center for Atmospheric Research à Boulder. Il modélise en 3D les interactions entre les océans, l’atmosphère, les continents, et même les nuages et glaces de la Terre. Les deux chercheurs ont également finement réglé le transfert radiatif de l’énergie solaire, en prenant en compte un effet de serre inhabituel dû à la composition particulière probable de l’atmosphère de l’Archéen, c’est-à-dire sans d'oxygène ni d'ozone, mais avec beaucoup de CO2 et éventuellement du méthane.

Un cycle piégeant moins de carbone sur la Terre primitive

La solution la plus simple pour résoudre le paradoxe de Sagan et Mullen fait intervenir une teneur de 1.000 ppm (parties par million) en méthane et de 20.000 ppm de CO2 (400 aujourd'hui). Une telle composition n’est pas du tout fantaisiste car pendant l’Archéen, les conditions fixant le cycle du carbone sur Terre étaient différentes. Les continents étaient de plus petite taille et il n’y avait pas d’érosion des sols due aux racines de plantes par exemple. De sorte que les processus capables de fixer des carbonates dans l’océan sous forme de calcaire et de faire diminuer la présence du dioxyde de carbone dans l’atmosphère n’étaient pas aussi actifs qu’aujourd’hui.

Faut-il pour autant penser que la solution au paradoxe du jeune Soleil faible a été trouvée ? Avec prudence, Wolf a répondu à cette question en déclarant : « Je ne veux pas être présomptueux. Mais nous montrons que le paradoxe n'est certainement pas aussi difficile à résoudre que ce que l'on croyait au cours des 40 dernières années. Alors que nous ne pouvons pas dire avec certitude à quoi ressemblait l’atmosphère de la Terre pendant l’Archéen, par manque de données géologiques, il n’est certainement pas exagéré d’affirmer qu’il est tout à fait possible d’obtenir avec notre modèle une Terre primitive assez chaude pour avoir été propice à la vie ».


A voir aussi sur Internet

Sur le même sujet

Vos réactions

Chargement des commentaires