Une célèbre image de la Terre et de ses océans prise par les astronautes d'Apollo 17. © Nasa

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L’origine de l’eau des océans expliquée par une nouvelle théorie

ActualitéClassé sous :océanographie , Astronomie , argile

L'origine de l'eau de l'Océan de la Terre est débattue depuis des décennies. Elle viendrait essentiellement des astéroïdes mais un nouveau scénario fait maintenant intervenir aussi l'hydrogène du gaz du disque protoplanétaire où sont nées les planètes.

L'eau sur Terre est intimement liée à l'origine de la Vie et à sa perpétuation sous des formes complexes. On retrouve cette importance dans toutes les cosmogonies, ce qui souligne bien à quel point expliquer sa présence sur notre Planète bleue, fascine l'esprit humain. Certains, comme Arthur Clarke, ont même proposé de la rebaptiser « planète Océan ».

Astrophysiciens et cosmochimistes tentent d'élucider cette énigme depuis plus de 50 ans et l'on peut dire que l'on est effectivement passé du mythe à la science, bien que sa solution finale nous échappe encore partiellement. Deux grandes classes d'hypothèses ont été proposées et, périodiquement, l'une prend le dessus sur l'autre sans que le débat ne soit clos.

Il y a d'abord l'hypothèse qui attribue un stock d'eau originel à la Terre lors de sa formation. Stock qui se trouverait dans son manteau qui aurait largement dégazé lorsque l'activité volcanique de la planète était bien plus importante qu'aujourd'hui, il y a plus de 4 milliards d'années à l'Hadéen. On constate bien, de fait, que les gaz des volcans contiennent beaucoup de vapeur d'eau mais il pourrait s'agir de contamination ultérieure par l'eau de la Terre.

Il y a ensuite l'hypothèse d'une origine extraterrestre, un apport en eau par un bombardement de comètes ou/et d'astéroïdes riches en eau, voire par le flux des micrométéorites. Ce qui peut favoriser cette hypothèse, c'est qu'il semble bien établi maintenant qu'un océan de magma a existé à la surface de la Terre à ses débuts, à cause notamment de son choc avec Théia, la petite planète de la taille de Mars qui expliquerait la formation de la Lune. La Terre aurait donc perdu son stock d'eau initial, qui aurait été renouvelé plus tard.

Bien évidemment, on peut faire remarquer que ces deux hypothèses ne sont pas vraiment indépendantes puisque la Terre provient de l'accrétion de corps rocheux et aussi sans doute de comètes. De fait, l'origine de l'eau est dans les deux cas extraterrestre et remonte aux conditions de formation des corps du Système solaire dans le disque protoplanétaire initial.

Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la Vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers, observable dans le même but. MOJO : Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français » © Laurence Honnorat

Une équipe de chercheurs états-uniens de l'Arizona State University (ASU) vient de publier un article dans Journal of Geophysical Research. Cet article renouvelle de façon intéressante le débat en reprenant un outil déjà utilisé pour tenter de savoir si l'eau des océans de la Terre venait des comètes ou des astéroïdes, à savoir des rapports d'abondance des isotopes de l'hydrogène.

Le deutérium, une clé des archives de l'origine des océans

Il existe ainsi deux types d'eau, l'une, ordinaire, est faite d'atomes d'hydrogène H avec un seul proton pour noyau ; l'autre, dite lourde, est faite d'atomes de deutérium D, donc un noyau avec un proton et un neutron.

L'étude des météorites sur Terre - qui proviennent majoritairement de la ceinture principale d'astéroïdes - a permis d'établir qu'en moyenne, le rapport D/H était de l'ordre de 140 ppm alors que ce rapport, quand on l'a déterminé dans certaines comètes, était compris entre 150 et 300 ppm. Comme sur Terre il est d'environ 150 ppm, l'hypothèse cométaire est défavorisée, ou pour le moins, les comètes ne seraient pas, et de loin, la source principale de l'eau sur Terre.

Mais pour les cosmochimistes de l'ASU, on a oublié un peu vite que de l'eau se forme facilement en combinant dans certaines conditions de l'hydrogène et de l'oxygène. Or, de l'hydrogène, il y en avait d'énormes quantités dans le disque protoplanétaire riche en gaz et en poussière au cours des quelques millions d'années de son existence. Ils proposent donc un nouveau scénario en tenant compte des processus d'accrétion de la solubilité de l'hydrogène et de ses isotopes dans les corps en formation. Ce scénario permet de surmonter un verrou, à savoir que le rapport D/H dans le gaz du disque protoplanétaire devait être de 21 ppm environ seulement.

Le nouveau scénario de l'origine de l'eau, voir les commentaires ci-dessous ( ME =Mass Earth=masse de la Terre ). Il repose sur l'existence pendant quelques millions d'années d'un disque protoplanétaire riche en gaz où sont nées les planètes. © J. Wu, S Desch/ASU

Comme le montre l'infographie ci-dessus, il se déroule en six étapes.

Il y a d'abord la formation d'embryons planétaires dont les masses sont comprises entre celle de la Lune et celle de Mars et dont les collisions font former une proto-Terre (a). Ces embryons sont formés de matériaux chondritiques et, dans le cas de la Terre, on sait qu'il s'agit principalement de matériaux semblables à celui trouvé dans les chondrites à enstatite. Le rapport D/H des corps formés est donc d'environ 140 ppm.

Du fait de leur contenu en éléments radioactifs plus important qu'aujourd'hui et du fait aussi de la chaleur apportée par l'accrétion, ces corps fondent partiellement et se différencient en donnant un noyau ferreux et un manteau (b). Mais les lois de la cosmochimie nous disent que le deutérium va avoir tendance à rester dans le manteau, alors que l'hydrogène se concentre dans le noyau de sorte que le rapport D/H augmente pour le manteau et diminue pour le noyau.

Les embryons planétaires les plus gros et bien sûr la proto-Terre s'entourent rapidement d'un océan de magma dans lequel le gaz encore présent dans le disque protoplanétaire va se dissoudre. Le même processus que précédemment va alors se poursuivre mais la Terre, en particulier son manteau, va voir son contenu en isotopes de l'hydrogène augmenter, ce qui fait grimper aussi ses sources d'eau potentielles(c-d).

Au total, environ l'équivalent de trois océans étaient dans le manteau de la Terre qui par dégazage volcanique aurait donc conduit à celui que nous avons aujourd'hui à sa surface (e-f). Entre 10 et 30 % de l'eau de cet océan proviendrait indirectement des isotopes d'hydrogène absorbés par les océans de magma.

Ce scénario a été testé par des signatures cosmochimiques au niveau des abondances de carbone, azote et gaz rare et en mesurant le rapport D/H dans les roches du manteau qui arrivent à la surface de la Terre, du fait de la convection dans son manteau et du volcanisme.

Il est intéressant à plus d'un titre car il suggère notamment que même des exoplanètes formées à partir de matériaux pauvres en eau pourraient tout de même en contenir des quantités non négligeables. Elles se seraient formées à partir de l'hydrogène que l'on sait être dans tous les disques protoplanétaires.

  • Il existe des traceurs en cosmochimie qui permettent d'éclairer l'énigme de l'origine de l'eau de la Terre. Le principal étant la mesure du rapport D/H de deux isotopes de l'hydrogène, D désignant le deutérium au noyau composé d'un proton et d'un neutron.
  • La mesure de ce rapport dans les comètes et les météorites, issues des astéroïdes, suggère que l'eau des océans ne vient pas majoritairement des comètes mais a été apportée par des chutes d'astéroïdes principalement.
  • De nouvelles mesures et un nouveau scénario font aussi intervenir les isotopes d'hydrogène présent dans le gaz du disque protoplanétaire qui s'est dissous dans des océans de magma, dont celui de la proto-Terre. 
  • L'origine de l'Océan global serait donc complexe et multiple.
Pour en savoir plus

Origine de l'eau des océans : un nouveau rebondissement !

Article de Laurent Sacco du 17/07/2012

Le débat concernant l'origine de l'eau des océans sur Terre ne sera probablement tranché que lorsque l'on aura visité un certain nombre de comètes et d'astéroïdes. En attendant, de nouvelles analyses isotopiques font à nouveau pencher la balance en faveur d'un apport essentiellement sous forme de météorites.

La vie est née dans les océans. Certains spéculent même sur une origine aquatique des ancêtres de l'Homme qui auraient temporairement tenté de se réadapter à l'eau en suivant la même voie que les dauphins. Cette théorie a eu des sympathisants comme Jacques Mayol. Si la conquête des océans nous fascine beaucoup, quand nous vibrons aux exploits de l'équipe Cousteau ou d'un William Trubridge, c'est peut-être parce que nous nous souvenons d'une certaine façon avec nostalgie de nos origines aquatiques...

Plus sérieusement, nous cherchons à comprendre notre origine dans l'univers en déterminant quelles ont été les étapes qui l'ont fait passer du Big Bang au vivant. L'apparition de l'eau liquide sur Terre revêt donc une importance toute particulière. C'est pourquoi nous fouillons les archives cosmiques pour découvrir sa genèse, à travers les comètes, les astéroïdes, les météorites... et les océans eux-mêmes.

Le deutérium, un traceur cosmochimique

Une fraction de l'eau sur Terre est constituée de molécules contenant du deutérium (D) au lieu d'un atome d'hydrogène (H). On peut ainsi définir un rapport isotopique D/H qui est un traceur de l'origine de l'eau des océans en cosmochimie.

En comparant ce rapport avec celui trouvé dans des météorites et des comètes, il est donc possible de déterminer quels ont été les parents de l'eau des océans. Depuis des années, la thèse d'une origine de cette eau par dégazage volcanique de la jeune Terre a été abandonnée et le balancier n'a cessé de pencher alternativement soit du coté des comètes, soit du coté des météorites. Dernièrement, les analyses isotopiques de la comète Hartley 2 avaient redonné aux astres chevelus une part non négligeable de la paternité des océans terrestres.

Une coupe de la célèbre météorite d'Allende, une chondrite carbonée. © Shiny Things, Wikipédia

Sans surprise, une équipe de chercheurs vient de publier dans Science un article remettant en cause non seulement le rôle des comètes mais aussi l'origine des chondrites carbonées, comme la célèbre Allende. Selon eux, il faut aussi revoir la copie de la formation des océans terrestres et du Système solaire.

Pour comprendre leur argument, il faut rappeler que le rapport D/H change dans les glaces prises dans des comètes ou des astéroïdes en fonction de la température de leurs lieux de formation. En mesurant ce rapport, fût-il enregistré dans des minéraux hydratés comme des argiles retrouvés dans des météorites, il est possible de déterminer une température et ainsi une distance au Soleil.

Une remise en cause des modèles de formation des planètes internes

Jusqu'à présent, on pensait que les comètes observées et les chondrites carbonées tombées sur Terre s'étaient toutes formées à grande distance du Soleil. Mais en analysant les minéraux hydratés dans 85 chondrites, les chercheurs auraient établi que le rapport D/H était finalement trop faible pour provenir de régions du Système solaire au-delà de l'orbite de Jupiter. Ces météorites, particulièrement riches en eau et en molécules organiques, importantes pour l'apparition de la vie sur la Terre primitive, proviendraient finalement de la région entre Mars et Jupiter où existe la fameuse ceinture d'astéroïdes.

Ce n'est pas tout. Selon les chercheurs, l'ensemble des nouvelles études effectuées ne laisse pas seulement entendre que l'eau des océans ne vient pas des comètes. Ces travaux remettent aussi en cause les modèles dynamiques de la formation des planètes et de l'évolution de leurs orbites. De plus, on ne pourrait plus expliquer l'écart entre la composition isotopique de l'oxygène solaire et celle des planètes internes par un apport d'eau en provenance des régions externes du Système solaire.

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