L'eau, les océans et l'air

Trois atomes dans une main

Dans le creux d'une main, un peu d'eau. Chaque molécule qui y tient compte trois atomes, deux d'hydrogène et un d'oxygène, et ces deux-là n'ont pas été faits au même endroit ni au même moment. L'hydrogène sort de la fabrique des premières minutes, celle qui travaille entre la troisième et la vingtième après le début de l'expansion et ne produit que de l'hydrogène, de l'hélium et des traces de lithium : il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ni de masse 8, et la suite des fusions s'arrête là. Depuis, la quantité d'hydrogène de l'Univers n'a fait que baisser ; les étoiles le brûlent, et aucune n'en fabrique. Tout ce qui pèse 12 ou plus, du carbone à l'uranium, est né dans les étoiles ; chaque atome d'hydrogène de cette eau date des premières minutes.

L'oxygène vient de la forge. Il est de ces éléments dits alpha, avec le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium, que les modèles d'évolution chimique de Chiaki Kobayashi, Amanda Karakas et Maria Lugaro font naître surtout dans les étoiles massives et sortir par les supernovas à effondrement de cœur, l'explosion qui suit l'écroulement d'un cœur de fer. « Surtout » est le mot d'un partage calculé pour la Galaxie entière, les rendements de chaque sorte d'étoile pesés par l'histoire de leurs naissances ; aucune mesure ne l'établit pour un atome en particulier, et il dit la source principale sans dire la part. Sur l'année cosmique, cet oxygène a été forgé un jour quelconque entre janvier et la fin d'août, avant la naissance du Soleil, par des générations d'étoiles qu'on ne sait pas compter.

Une molécule d'eau réunit ainsi les deux ateliers du livre : pour deux tiers de ses atomes le premier jour, pour un tiers les étoiles. Mais un atome d'oxygène pèse seize fois un atome d'hydrogène, et en masse le compte s'inverse, un neuvième du premier jour, huit neuvièmes d'étoile. Dans le corps d'un adulte, l'eau fait environ 53 % de la masse, un peu plus de la moitié, avec de fortes différences d'une personne à l'autre ; l'essentiel des atomes d'hydrogène du corps, qui sont à eux seuls 62 % de ses atomes, est pris dans cette eau. La main qui la tient en est faite à moitié : la même eau coule dedans et repose dehors, les mêmes trois atomes, venus des mêmes deux endroits.

Les deux histoires des atomes sont connues ; celle de leur assemblage sur la Terre l'est beaucoup moins. Des molécules d'eau existaient dans le disque de gaz et de poussière qui entourait le jeune Soleil, et la Terre s'est formée dans une région de ce disque où l'eau ne pouvait pas rester solide.

Trop près du Soleil

Dans le disque du jeune Soleil, plus on s'éloigne de l'étoile, plus il fait froid, et l'eau n'y gèle qu'au-delà d'une ligne, la ligne des glaces, où la température passe sous 170 kelvins, environ −103 °C. En deçà elle reste vapeur, et les solides qui s'y assemblent, grains, galets, puis planétésimaux, ne peuvent pas la prendre en glace. La région où se forment les planètes rocheuses, dont la Terre, est trop chaude pour que l'eau y entre sur place.

Le chapitre du disque a rangé les météorites en deux familles, les non carbonées venues du Système solaire interne et les carbonées venues de l'externe, deux réservoirs restés à part entre un et trois ou quatre millions d'années après le t = 0, l'âge des premiers solides. La ligne des glaces est une température, la frontière des familles une signature ; comment elles se placent l'une par rapport à l'autre, rien ne le dit. Elles pèsent pourtant dans le même sens : les matières riches en eau étaient au loin, et la Terre s'est faite près du Soleil.

Or la Terre est humide, bien plus que ne le montrent ses mers. Manteau, océans et atmosphère ensemble, elle contient l'équivalent de 3 à 11 océans, l'océan d'aujourd'hui servant d'unité. L'océan et l'air se pèsent directement ; la largeur de la fourchette vient de l'eau du manteau, un hydrogène pris dans les minéraux, et même à la borne basse l'essentiel de l'eau de la planète ne se voit pas : elle est dans la roche. Une planète née là où l'eau ne gelait pas tient en elle plusieurs océans. Cette eau est venue d'ailleurs, ou elle était là sous une autre forme que la glace, et ce sont les deux pistes qu'on suit aujourd'hui.

Venue de loin, ou déjà là

Au-delà de la ligne des glaces, les planétésimaux prennent la glace avec la roche, et pour qu'ils nourrissent la Terre il faut qu'ils aient traversé le disque vers l'intérieur. André Izidoro et Laurette Piani confient ce travail aux planètes géantes : une géante qui grossit ou change d'orbite bouscule les petits corps voisins et en jette une part vers le Soleil. Le chapitre du disque a placé Jupiter entre les deux réservoirs, une instabilité des géantes vers 11 millions d'années après le t = 0, et une Terre qui mélange les deux familles. De la matière du dehors a donc bien atteint la région de la Terre ; quand, et par quel épisode, on ne le sait pas, et rien ne relie l'instabilité datée à l'arrivée de l'eau.

La seconde piste retourne le problème : la ligne des glaces interdit la glace, pas l'hydrogène lié aux minéraux de la roche elle-même. En 2020, Laurette Piani et ses coauteurs mesurent l'hydrogène des chondrites à enstatite, des météorites jamais fondues, faites surtout d'un silicate de magnésium, formées dans un milieu très pauvre en eau et isotopiquement les plus proches de la Terre, les meilleurs témoins de ce dont elle s'est assemblée. Ils y trouvent assez d'hydrogène pour au moins trois fois l'eau des océans. L'hydrogène a deux isotopes stables, l'ordinaire, un seul proton, et le deutérium, qui y ajoute un neutron ; leur rapport change d'un corps à l'autre du Système solaire et sert de signature de provenance. Une source dont la signature différerait de celle de la Terre ne pourrait pas être la principale sans que le mélange trahisse l'écart, et les chondrites à enstatite passent ce test, pour l'hydrogène et pour l'azote. Les valeurs mesurées ne sont pas rapportées ici ; seulement la conclusion qu'elles portent.

Les deux pistes ne s'excluent pas, et Izidoro et Piani, dans leur synthèse de 2022, les combinent : l'eau des planètes rocheuses vient de matériaux porteurs d'hydrogène propres au disque interne, complétés par des planétésimaux riches en eau formés au-delà de la ligne des glaces, sans que la part de chacun soit chiffrée. La question n'est plus de choisir entre un héritage local et un apport lointain, mais de partager, et de dater.

Deux sources sont écartées ou réduites. La part des comètes, ces corps glacés venus des confins, est jugée faible ; le placage tardif, la petite pluie de matière chondritique tombée après le dernier impact géant, celle qui a laissé l'or et le platine dans le manteau, était probablement sec. L'essentiel de l'eau est donc arrivé plus tôt, pendant l'accrétion elle-même, quand la Terre grossissait par collisions entre embryons ; une autre voie reste discutée, un hydrogène pris directement au gaz du disque et dissous dans l'océan de magma.

L'origine de l'eau terrestre reste débattue ; ce qui a changé, c'est que la piste locale, longtemps tenue pour impossible à cause de la ligne des glaces, dispose d'un réservoir mesuré. Mais si l'eau est arrivée pendant l'accrétion, elle a traversé les impacts géants, qui ont fondu la planète et arraché ses premiers airs. Pour qu'elle soit encore là, il a fallu qu'une grande part de cette eau traverse les grands chocs à l'abri, dans la roche fondue ou solide plutôt que dans une enveloppe de gaz exposée aux coups — là où la plupart des océans de la Terre se trouvent encore.

Un air sorti de la roche

L'eau des océans a été de l'air avant d'être une mer, et la Terre n'a pas eu un air mais plusieurs, dont les premiers n'ont pas tenu. Le tout premier a pu être une enveloppe d'hydrogène et d'hélium prise au gaz du disque pendant que la proto-Terre grossissait ; il n'en reste aucune trace directe. La Terre d'aujourd'hui est très pauvre en néon et en argon, deux gaz rares qui ne s'attachent presque à rien et qu'aucune roche ne garde, dont une planète qui aurait conservé son air d'origine serait pleine ; leur rareté dit que les impacts géants ont arraché les premières atmosphères. L'air que la Terre a eu ensuite ne descend pas de l'air du disque.

Après l'impact qui fait la Lune, la surface est un océan de magma sous une atmosphère de roche vaporisée. À mesure que le magma refroidit, les silicates retombent, et l'air se remplit de volatils, les substances légères que la roche fondue lâche en refroidissant. Une planète de la taille de la Terre met, selon les modèles, de cent mille à cent millions d'années à se solidifier en entier, et la fourchette dépend en partie de l'air même qui recouvre le magma et retient sa chaleur.

De quoi est fait ce premier air dégazé dépend de l'état d'oxydation du manteau, la quantité d'oxygène que la roche tient disponible pour se lier au reste. Un manteau oxydé laisse sortir l'hydrogène lié à l'oxygène, en vapeur d'eau, et le carbone en dioxyde de carbone ; un manteau réduit, pauvre en oxygène disponible, libère de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane. D'un côté une vapeur d'eau et de gaz carbonique qui peut condenser en mer ; de l'autre un mélange de gaz combustibles où l'eau ne vient pas d'emblée. Le dégazage oxydé est « aujourd'hui considéré comme le scénario standard » pour la Terre ; il reste rangé parmi les hypothèses, et les indices qui le font préférer ne sont pas dits.

Si l'on suit ce scénario, le premier air durable de la Terre est surtout de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone sortis de l'intérieur de la planète ; l'eau y est dès le départ, en gaz. Ni la pression de cet air, ni la part de chaque gaz, ni rien de l'azote qui domine l'air actuel ne sont connus. Dans cet air, l'oxygène ne manque pas : il est tout entier lié, dans l'eau et dans le gaz carbonique, et pas une molécule n'en est libre.

Un grain de sable, et l'eau froide

Quand la surface refroidit assez, la vapeur d'eau condense et tombe — la première pluie, sur une pierre à peine prise —, et de ce premier océan il ne reste aucune roche ; de l'Hadéen, le premier éon, jusque vers 4,0 milliards d'années, presque rien n'a tenu. L'indice le plus ancien de l'eau liquide est un grain de sable : un zircon détritique des Jack Hills, en Australie occidentale, cristal arraché à une roche disparue et déposé dans un sédiment plus jeune. Le plus vieux de ces grains a 4 404 millions d'années, à 8 près, un âge hadéen confirmé en 2014 par tomographie à sonde atomique. L'article de Simon Wilde et de ses coauteurs, en 2001, porte dans son titre ce qu'ils en tirent : une croûte continentale et des océans sur la Terre il y a 4,4 milliards d'années.

Pour l'eau, l'argument ne vient pas de l'âge du grain mais de son oxygène. L'oxygène a plusieurs isotopes dont les proportions, dans une roche, changent quand elle touche de l'eau liquide à basse température, et un zircon qui cristallise dans un magma garde les proportions de ce magma. Selon Wilde et ses coauteurs, celles du zircon de 4,4 milliards d'années « désignent l'intervention de matériaux supracrustaux ayant subi une interaction à basse température avec une hydrosphère liquide » : des matériaux formés à la surface de la croûte, et de l'eau liquide en surface.

Le raisonnement compte quatre étapes, et chacune ajoute une inférence. Le grain a cristallisé dans un magma dont il porte l'oxygène. Cet oxygène n'est pas celui d'un magma sorti droit du manteau : il faut que le magma ait repris de la matière venue de la surface. Cette matière avait été altérée par une eau liquide et froide. Il y avait donc de l'eau liquide à la surface de la Terre avant 4,4 milliards d'années. La synthèse de Tim Lichtenberg et de ses coauteurs en tire une date, de l'eau liquide en surface dès 150 millions d'années environ après le t = 0 ; c'est une inférence largement acceptée, pas l'observation d'un océan. Le grain ne dit ni l'étendue de cette eau, ni sa profondeur, ni sa durée. Il dit qu'elle a existé, liquide et froide, assez longtemps pour altérer des roches qui ont été refondues ensuite.

On date un minéral, pas une roche. La plus vieille roche entière connue avec certitude, le gneiss d'Acasta au Canada, a 4,02 milliards d'années, et entre le zircon et Acasta près de quatre cents millions d'années ne sont connues que par des grains. L'océan hadéen est une reconstruction qui passe par la chimie d'un magma disparu : chacune de ses quatre étapes tient, et la conclusion repose sur toutes à la fois.

Une eau qui n'aurait pas dû tenir

Frances Westall, dans sa synthèse de 2025 sur les premières traces de vie, place des océans « habitables » dès 4,34 milliards d'années, un peu après l'eau des zircons, et juste après un impact lunaire qu'elle met vers 4,35. Or cette date lunaire est contestée : l'amas d'âges vers 4,35 daterait une refonte de la Lune par les marées, et la Lune serait née entre 4,43 et 4,53. Les deux lectures ne font pas la même histoire de l'eau. Avec une Lune ancienne : l'impact, puis l'océan de magma, puis une eau liquide dès 4,40 que les zircons enregistrent. Avec une Lune à 4,35 : le zircon de 4,40 témoignerait d'une eau d'avant le dernier impact géant, qui aurait refondu la surface après elle, et les océans de Westall suivraient ce choc de dix millions d'années à peine.

Reste le Grand Bombardement tardif, un pic d'impacts qui aurait frappé la Terre et la Lune entre 4,1 et 3,8 milliards d'années. Il est contesté aujourd'hui : les âges lunaires qui le portaient posent problème, les pierres d'Apollo ont pu être contaminées par les débris d'un seul bassin, Imbrium, et un déclin graduel suffit à rendre compte du relevé. Pour l'eau, l'enjeu est de calendrier. Un tel pic aurait frappé une planète qui portait déjà de l'eau liquide depuis plusieurs centaines de millions d'années, et ce qu'il en aurait fait, vaporiser ces océans en tout ou en partie, n'est établi nulle part.

Cette eau liquide pose un second problème, de climat. Selon les modèles d'évolution des étoiles, la Terre primitive recevait du Soleil environ 25 % d'énergie de moins qu'aujourd'hui, et Georg Feulner, qui a fait en 2012 la revue de ce « paradoxe du jeune Soleil pâle », en tire la conséquence : avec l'atmosphère actuelle, la Terre aurait dû être gelée pendant ses deux premiers milliards d'années. Or la géologie montre de l'eau liquide à l'Archéen, l'éon qui va de 3,8 à 2,5 milliards d'années, et la vie y apparaît. Les zircons hadéens repoussent le problème plus loin encore dans le passé. Pourquoi un Soleil jeune brille moins n'est pas dit ici ; le chiffre seul est rapporté, tiré des modèles d'étoiles.

Le paradoxe oppose deux sources indépendantes, la physique des étoiles qui donne l'énergie reçue et la géologie qui montre l'eau. Pour les accorder, il faut que la Terre ait retenu davantage de la chaleur reçue ou en ait moins renvoyé vers l'espace, et la plupart des solutions mettent dans l'air plus de gaz à effet de serre, ceux qui laissent passer la lumière du Soleil et retiennent une part de la chaleur que le sol réémet. Trois candidats en tête : le dioxyde de carbone, le méthane et l'ammoniac. Le premier est justement le gaz que le dégazage standard met dans le premier air ; le second, un produit du dégazage réduit. Selon Feulner, « toutes présentent des difficultés considérables ». Ce qui départagerait est clair dans son principe, mesurer dans des roches archéennes la composition de l'air qui les a touchées, et aucune mesure de ce genre n'est rapportée.

Le paradoxe reste ouvert. L'eau liquide ancienne est établie, par les zircons pour l'Hadéen et par la géologie pour l'Archéen ; le Soleil plus faible est une prédiction robuste des modèles d'étoiles. Ce qui manque est le mécanisme qui a tenu la Terre au-dessus du gel pendant deux milliards d'années — plus de cinquante jours de l'année cosmique, du début de septembre à la fin d'octobre.

Deux mois sans oxygène

Le premier air de la Terre ne se respirait pas. Pendant à peu près la moitié de son histoire, l'atmosphère n'a pas contenu d'oxygène libre, de molécules d'O₂ qui ne soient liées à rien, alors que l'oxygène ne manquait nulle part sur la planète, puisqu'il fait le plus gros de la masse de l'eau et des roches. Il y était pris, dans l'eau, le gaz carbonique et les minéraux ; le dégazage du scénario standard donne un air plein d'atomes d'oxygène sans une seule molécule d'oxygène libre.

La date de l'arrivée de l'oxygène libre est connue avec une précision rare, et elle a été affinée récemment. Selon Simon Poulton et ses coauteurs, la concentration d'oxygène dans l'air dépasse pour la première fois un cent-millième du niveau actuel vers 2,43 milliards d'années, le seuil le plus bas que les roches permettent de repérer : c'est le début de ce qu'on appelle la Grande Oxydation. La montée ne s'est pas faite d'un coup. D'après les isotopes du soufre et les systèmes qui lient fer, soufre et carbone dans les sédiments, l'oxygène a ensuite oscillé pendant environ deux cents millions d'années, montant et redescendant, et il ne s'installe pour de bon que vers 2,22 milliards d'années, au moment d'une anomalie des isotopes du carbone, l'excursion de Lomagundi. Le début est bien établi ; l'instabilité et la date de 2,22 viennent d'une étude de 2021. Une présentation encyclopédique fait durer l'événement de 2,46–2,426 jusque vers 2,06 : d'accord sur le début, pas sur la fin, parce qu'elle ne définit pas l'événement de la même manière — l'une date le moment où l'oxygène ne redescend plus, l'autre la fin d'une montée plus longue.

Sur l'année cosmique, le t = 0 tombe le 2 septembre vers 4 h 45. L'eau liquide des zircons apparaît environ quatre jours plus tard, et le plus vieux zircon cristallise le 6 septembre vers midi et demi ; les océans habitables de Westall suivent le 8, vers 5 h du matin ; le gneiss d'Acasta n'arrive que le 16, et le Grand Bombardement tardif, s'il a eu lieu, irait du 14 au 22. L'oxygène franchit son premier seuil le 28 octobre vers 17 h 30, oscille un peu plus de cinq jours et s'installe le 3 novembre vers 7 h du matin. Depuis les océans des zircons, près de deux mois cosmiques, pendant lesquels la Terre a de l'eau liquide et un air sans oxygène libre.

La cause de ce changement est biologique : on l'attribue aux cyanobactéries, des micro-organismes dont la photosynthèse rejette de l'oxygène. Ce qu'ils sont, depuis quand ils existent et de quoi ils sont faits est l'affaire des chapitres suivants. L'eau et l'air sont en place ; ce qui les changera est vivant.