Des océans à 80 °C et une atmosphère chargée en gaz à effet de serre, voilà à quoi ressemblait le climat au Néoarchéen, il y a 2,7 milliards d’années. Une nouvelle étude montre cependant que la région du pôle Nord arrivait malgré tout à se maintenir à des températures négatives.


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    Déterminer le climat du passé est important pour comprendre les facteurs et mécanismes qui le régissent et pour mieux anticiper son évolution future. Mais le climat est une notion complexe, non uniforme à l'échelle du globe et qui ne laisse que des traces indirectes dans les enregistrements fossiles.

    S'il est déjà compliqué de définir avec précision le climat qui prévalait il y a quelques centaines de milliers d'années, que dire de l'état climatique de la Terre primitive ? C'est ainsi toute la première moitié de l'histoire de notre Planète qui est pour l'instant noyée dans une zone d'ombre.

    Une équipe de chercheurs présente cependant des données qui permettent de remonter le temps et d'avoir un aperçu du climat au Néoarchéen, soit il y a 2,67 milliards d'années.

    Un isotope de l’oxygène pour traquer le climat du passé

    La croûte continentale a commencé à se former très tôt dans l'histoire de la Terre et aurait émergé à la surface des océans il y a environ 3,3 milliards d'années, au milieu de l'Archéen. Or, qui dit terres émergées, dit interactions roches |15c2ff4e97671cd6fb3b784e6d6ad84a|-hydrosphèrehydrosphère. La croissance continentale caractérisant la période archéenne a sans doute joué un rôle majeur dans l'intensification de ces échanges géochimiques et il y a fort à parier que ceux-ci ont profondément impacté le climat régnant sur cette Terre encore jeune, et vice-versa.

    Durant l'Archéen, les échanges roche-hydrosphère-atmosphère s'intensifient avec l'augmentation des surfaces continentales. © Tim Bertelink, <em>Wikimedia Commons,</em> CC by-sa 4.0
    Durant l'Archéen, les échanges roche-hydrosphère-atmosphère s'intensifient avec l'augmentation des surfaces continentales. © Tim Bertelink, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

    L'exposition de la croûte continentale au cycle hydrologique pourrait donc être un élément clé permettant de mieux comprendre le climat de la Terre à la fin de l'Archéen. C'est en se basant sur cette idée que les chercheurs sont partis sur les traces de l'un des isotopesisotopes de l'oxygène : le 18O. Cet isotope possède en effet certaines caractéristiques qui font de lui un marqueur intéressant de la circulation d'eau pluviales dans le sol (eau météoritique).

    L’oxygène 18 est en effet un isotope lourd. De fait, il entre moins dans la composition de l'eau de pluie que dans celle de l'eau de mer, l'humidité de l'airhumidité de l'air étant étroitement liée au phénomène d'évaporation. Dans l'atmosphère, on retrouve donc plus d'oxygène 16 (léger) que d'oxygène 18. Le rapport entre ces deux isotopes dans un échantillon est défini comme le δ18O.

    Actuellement, le δ18O de l'eau de mer est de 0‰ alors que celui de l'eau de pluie est négatif et peut atteindre des valeurs extrêmes (-60‰) dans certaines conditions. La valeur du δ18O permet donc d'estimer l'humidité dans l'atmosphère, le taux d'humidité étant lui-même contrôlé directement par la température d'évaporation. Des températures froides tendent ainsi à diminuer encore la quantité de 18O dans la vapeur et donc à faire plonger le δ18O dans des valeurs négatives extrêmes.

    Le phénomène d'évaporation privilégie les isotopes légers de l'oxygène, ce qui explique le faible taux d'oxygène 18 dans les eaux de pluie. © EcaterinaLeonte, Adobe Stock
    Le phénomène d'évaporation privilégie les isotopes légers de l'oxygène, ce qui explique le faible taux d'oxygène 18 dans les eaux de pluie. © EcaterinaLeonte, Adobe Stock

    Reconstruire le climat à partir de la chimie des roches

    Or, comme dit précédemment, depuis qu'elles sont émergées, les roches de la croûte continentale interagissent avec l'eau de pluie. La circulation d'eau météoritique va ainsi modifier légèrement la composition chimique des minérauxminéraux silicatés qui vont alors « emprisonner » préférentiellement des isotopes d'oxygène 16. Les minéraux silicatés soumis au contact de l'eau météoritique vont ainsi se retrouver avec un δ18O inférieur à 0, la valeur étant liée à celle de l'eau en question. L'analyse de certaines roches et la détermination de leur δ18O permet donc, grâce à une approche inverse, de reconstruire le δ18O des eaux météoritiques et ainsi d'avoir une idée des conditions climatiques régnant en surface.  

    Un pôle Nord gelé malgré un climat global extrêmement chaud

    Restait à trouver l'échantillon de roche approprié. C'est dans le cratoncraton de Kola en Russie que les chercheurs ont trouvé un témoin géologique intéressant. Ces roches magmatiquesroches magmatiques datant du Néoarchéen (2,67 milliards d'années) portent des traces de circulation d'eaux météoritiques et d'altérations chimiques. La valeur du δ18O de ces roches a permis d'émettre de premières hypothèses concernant la nature des précipitationsprécipitations et des températures de surface dans la région occupée par le craton de Kola. D'après les reconstructions paléomagnétiques, le craton se trouvait il y a 2,7 milliards d'années à des latitudeslatitudes proches du pôle Nord.

    Les résultats, publiés dans la revue Geology, suggèrent ainsi que cette région était soumise à un climat froid, avec des températures moyennes annuellesannuelles inférieures à 0 °C. D'après l'enregistrement sédimentaire, le climat archéen est pourtant généralement considéré comme ayant été très chaud, avec des océans à des températures de 80 °C, en lien avec une atmosphère surchargée en CO2 et en méthane.

    Les résultats apportés par D. O. Zakharov et ses collègues suggèrent donc qu'il existait déjà à cette époque un régime atmosphérique dynamique permettant le maintien (au moins épisodiquement) de zones froides et gelées au niveau des pôles malgré un environnement globalement suffoquant.