Impacts et océans : ce que les modèles disent d'un océan hadéen frappé par un gros astéroïde

Écrite pour répondre à une question : Selon les modèles, à partir de quelle taille d'impacteur un océan hadéen est-il partiellement ou totalement vaporisé, la surface et les premières centaines de mètres stérilisées, combien de temps faut-il pour que l'eau retombe, et combien de tels impacts la Terre aurait-elle subis ?

1. Comment un impact vaporise un océan

Un impact géant ne fait pas bouillir l'océan surtout par contact direct. L'eau proche du point d'impact est vaporisée sur-le-champ, mais la vaporisation globale viendrait surtout d'autre chose : la Terre entière se retrouverait enveloppée d'une atmosphère de silicates vaporisés Citron 2022. Cette atmosphère de « vapeur de roche » rayonne à la fois vers l'espace et vers la surface, à une température d'au moins 1 500 K. Si son énergie interne totale suffit, ce rayonnement peut vaporiser tout l'océan préexistant Citron 2022. Ce schéma remonte à Sleep, Zahnle, Kasting et Morowitz (1989) : selon eux, de grands impacts d'astéroïdes ont créé des conditions mortelles à l'échelle du globe en évaporant de grands volumes d'eau océanique Sleep 1989.

La vaporisation est donc un phénomène global et radiatif. Elle dépend de l'énergie totale déposée, pas seulement de la profondeur d'eau au point d'impact. C'est pourquoi on parle de seuils exprimés en taille d'impacteur.

2. Ordres de grandeur : l'énergie d'un océan

Calcul simple, avec des valeurs d'école (pas un résultat publié). L'océan actuel pèse environ 1,4 × 10²¹ kg Citron 2022. Pour le chauffer de ~20 °C à 100 °C puis le vaporiser, il faut environ 2,6 MJ par kilogramme, soit environ 4 × 10²⁷ J. Si l'on porte ensuite la vapeur à ~1 500 K, comme le font Zahnle et al. Zahnle 2020, on monte vers ~7 × 10²⁷ J.

Un impacteur rocheux de 440 km de diamètre (densité ~3 000 kg/m³, soit ~1,3 × 10²⁰ kg) qui arrive à ~17 km/s apporte environ 2 × 10²⁸ J d'énergie cinétique. Si 25 à 50 % de cette énergie va à l'eau, on obtient 5 à 10 × 10²⁷ J : c'est bien l'ordre de grandeur requis. Le seuil dépend donc d'abord de la fraction d'énergie qui finit dans l'eau, et c'est elle qui est discutée (section 3).

3. Les seuils selon la taille de l'impacteur

Du plus petit au plus gros, et au conditionnel :

La partition de l'énergie fait débat. Sleep et al. (1989) et Zahnle et al. (2020) supposaient que 25 à 50 % de l'énergie cinétique servait à vaporiser l'eau. Citron et Stewart jugent cette estimation « grossière » Citron 2022. Dans les simulations 2D de Svetsov (2005), seuls 4 à 10 % de l'énergie passent dans l'atmosphère de vapeur de roche. Mais 12 à 27 % se retrouvent dans la couche d'éjectas, ce qui ramène le seuil vers 500 km Citron 2022. En 3D, Citron et Stewart trouvent qu'il faut des projectiles plus gros qu'on ne le supposait, plus de 700 km pour vaporiser l'océan Citron 2022. Selon Zahnle et al., un impact de la taille de Vesta (~500 km) pourrait évaporer 2,3 océans et les porter à 1 500 K Zahnle 2020. Ces seuils varient donc d'un facteur ~2 en diamètre, soit ~8 en masse, selon le modèle.

Les chiffres de Lowe et Byerly sont les seuls à reposer sur des roches, et ils sont archéens, pas hadéens. Deux couches d'impact de la ceinture de Barberton (Afrique du Sud) contiennent des dépôts de silice, que les auteurs interprètent comme les traces d'une évaporation partielle de l'océan. Le niveau de la mer aurait baissé de quelques dizaines à une centaine de mètres. L'atmosphère serait restée au-dessus de 100 °C pendant plus d'un an Lowe 2015. Ces chiffres sont lus dans un compte rendu de presse, pas dans l'article.

4. Combien de temps sans océan

Après une vaporisation totale, l'océan est dans l'atmosphère, sous forme de vapeur chaude et à haute pression. Il ne revient qu'à mesure que la planète perd sa chaleur par rayonnement. Selon Sleep et al. (1989), des conditions inhospitalières persisteraient en surface pendant des milliers d'années Citron 2022. Zahnle et al. (2020) trouvent que ces impacts créent des conditions chaudes et à haute pression qui peuvent durer des milliers d'années. Ils calculent des temps de refroidissement « de l'ordre de 1 000 ans » dans la plupart des cas qu'ils étudient, et jugent la surface « plausiblement » tempérée dix mille ans après Zahnle 2020.

Le temps de retour de l'océan va donc d'environ un millier à quelques milliers d'années, et croît avec l'énergie déposée. Un impact qui ne vaporise qu'une partie de l'océan donnerait un épisode plus court. Pour les impacts archéens de 50 à 100 km, Lowe et Byerly parlent d'au moins un an au-dessus du point d'ébullition Lowe 2015. À l'échelle géologique, c'est bref. Sur l'année cosmique (1 minute ≈ 26 000 ans, voir de-la-nebuleuse-a-la-terre), même plusieurs milliers d'années tiennent en quelques secondes.

5. Que veut dire « stériliser » ?

Il y a trois seuils, du moins au plus exigeant, et aucun ne fait consensus Citron 2022 :

• Vaporiser la zone photique, soit les ~200 m supérieurs de l'océan. Cela détruirait un écosystème qui dépend de la photosynthèse (critère de Sleep et al. 1989) Citron 2022.
• Vaporiser tout l'océan, ce qui rendrait la surface inhabitable pendant des milliers d'années. Mais ce ne serait pas forcément stérilisant : une vie souterraine pourrait survivre, enfouie et protégée de l'échauffement atmosphérique, qui ne dure pas Citron 2022. Dès 1989, Sleep et al. estimaient que des écosystèmes indépendants de la photosynthèse auraient pu être habitables sans interruption dès 4,44 Ga Sleep 1989.
• Faire fondre toute la surface et la croûte supérieure. Seul ce seuil garantirait une stérilisation complète Citron 2022.

Abramov et Mojzsis (2009) ont modélisé l'échauffement de la croûte pendant un bombardement tardif. Selon le communiqué de leur université, moins de 25 % de la croûte aurait fondu, et même dans les conditions les plus extrêmes testées, la Terre n'aurait pas été entièrement stérilisée Abramov 2009. Leur limite est celle des hyperthermophiles, 80 à 110 °C Citron 2022. Mais leur modèle suppose un pic d'impacts vers 3,9 Ga et des impacteurs de 300 km au plus. C'est bien moins que les corps de plus de 1 000 km qu'implique le bilan du placage tardif Citron 2022. Leur résultat vaut donc pour un « Grand Bombardement tardif » modéré, pas pour les plus gros impacts hadéens.

6. Combien de tels impacts, et quand ?

La réponse dépend du flux d'impacts, qui reste discuté. Le Grand Bombardement tardif est contesté ; un déclin graduel pourrait suffire (de-la-nebuleuse-a-la-terre, section 8). Deux scénarios s'opposent : un « cataclysme » vers 3,9 Ga, ou une « traîne » d'accrétion qui décroît avec le temps. Pour l'habitabilité, ils diffèrent surtout par le calendrier, car la masse totale apportée est fixée par les éléments sidérophiles du manteau Citron 2022.

Marchi et al. (2014) ont calé un modèle de bombardement sur les données lunaires et terrestres. Selon eux, la Terre hadéenne aurait plausiblement subi un à quatre impacteurs de plus de 1 000 km, capables de la stériliser globalement, et trois à sept de plus de 500 km, capables de vaporiser l'océan Marchi 2014. Le dernier impacteur de plus de 500 km frapperait vers 4,3 Ga (médiane des simulations), et vers 4 Ga dans environ 10 % d'entre elles Marchi 2014. Les océans existants auraient donc été « à plusieurs reprises » vaporisés en atmosphères de vapeur, jusque vers 4 Ga environ Marchi 2014. Avant ~4 Ga, aucune grande région de la surface n'aurait échappé aux impacts Marchi 2014.

Attention aux seuils : Marchi et al. retiennent ~500 km pour vaporiser l'océan, en s'appuyant sur Sleep et al. Avec le seuil de Citron et Stewart (> 700 km), le nombre d'impacts vaporisateurs baisserait. Ces derniers jugent pourtant que de tels impacts, plus gros que prévu, ont pu se produire plusieurs fois pendant l'accrétion tardive. Selon eux, un corps de la taille de Cérès aurait pu vaporiser plusieurs masses d'océan Citron 2022.

7. Vaporiser n'est pas perdre

Un océan vaporisé reste lié à la Terre. Il retombe en pluie quand l'atmosphère refroidit (section 4), et la surface redevient tempérée en ~10⁴ ans Zahnle 2020. Ce que ces impacts retirent, c'est la continuité de l'océan de surface, pas l'eau elle-même. La perte d'eau par les impacts géants, comme celui qui forme la Lune, est une autre question, traitée dans eau-du-manteau (section 7). Zahnle et al. y ajoutent une piste : le fer des impacteurs réduit l'eau en hydrogène, qui s'échappe lentement. Ils estiment qu'environ un océan d'hydrogène s'échappe, sur des durées allant jusqu'à des dizaines de millions d'années Zahnle 2020. Ce chiffre vient d'un modèle et dépend de son scénario d'atmosphère réductrice.

Ce que le livre peut en tirer

Pour le récit. L'image forte, au conditionnel : à l'Hadéen, un océan déjà formé aurait pu disparaître d'un coup, changé en vapeur sous un ciel de roche vaporisée à plus de 1 000 °C. Il serait ensuite retombé en pluie au bout d'un millier à quelques milliers d'années. Cela a pu arriver plusieurs fois, jusque vers 4,3 Ga, peut-être 4 Ga. Sur l'année cosmique, chacun de ces épisodes tient en quelques secondes. L'océan hadéen n'est donc pas forcément un océan continu : il a pu être plusieurs océans successifs. La vie souterraine, elle, aurait pu traverser ces épisodes.

Pour l'essai (paragraphe ^1e7b, note lhb). Donner des fourchettes, pas un seuil unique. Vaporisation totale : quelques centaines de km (350–440 km chez Sleep et al. 1989, plus de 700 km en 3D chez Citron et Stewart 2022). Fusion de toute la surface : 1 300 à 2 700 km. Zone photique (~200 m) : un seuil plus bas, non chiffré ici en diamètre. Retour de l'océan : ~10³ ans, surface tempérée en ~10⁴ ans. Le nombre d'impacts (Marchi 2014 : 3 à 7 de plus de 500 km) dépend du flux, qui est discuté : à relier à la contestation du Grand Bombardement tardif.

Contresens à éviter. Ne pas écrire que l'impact a « fait bouillir les océans » au sens de les détruire : l'eau retombe. Ne pas confondre vaporiser l'océan et stériliser la planète : seule la fusion de la surface garantit la stérilisation. Ne pas présenter Abramov et Mojzsis comme la preuve que rien n'a stérilisé la Terre : leur modèle exclut les plus gros impacteurs. Ne pas citer les impacts de Barberton (3,29 et 3,23 Ga) comme hadéens : ils sont archéens. Ne pas donner un nombre d'impacts vaporisateurs comme un fait.

À vérifier avant publication. Sleep et al. 1989 n'a été lu que par son résumé : les seuils de 350–440 km et la durée en « milliers d'années » sont repris de Citron et Stewart. Abramov et Mojzsis 2009 : lu via le communiqué de l'université. Lowe et Byerly 2015 : lu via un compte rendu de presse (EARTH Magazine). Le calcul d'énergie de la section 2 est un raisonnement d'ordre de grandeur, à présenter comme tel.

Voisines

• de-la-nebuleuse-a-la-terre — La section 8 évoque les premiers océans et un Grand Bombardement tardif contesté, sans dire ce qu'un impact fait à un océan formé. La présente fiche donne les seuils, les durées et le nombre d'impacts, en dépendance explicite du flux discuté.
• eau-du-manteau — Sa section 7 traite de l'eau perdue lors des impacts géants (impact lunaire). Ici, il s'agit d'impacts plus tardifs qui vaporisent l'océan sans le perdre : les deux questions sont distinctes et doivent être renvoyées l'une à l'autre.
• vie-et-humanite — La date d'apparition de la vie (4,32–3,48 Ga) et la question d'océans habitables dès 4,34 Ga dépendent du dernier impact stérilisant ; distinction entre vie photosynthétique et vie souterraine.
• sources-mineures-eau — Le placage tardif, réputé sec, est justement la population d'impacteurs qui vaporise les océans (Zahnle et al. 2020) : même matériau, autre effet.

Sources

• sleep1989 — Sleep, N. H., Zahnle, K. J., Kasting, J. F., Morowitz, H. J. (1989). Annihilation of ecosystems by large asteroid impacts on the early Earth. Nature 342, 139–142. DOI 10.1038/342139a0 https://pure.psu.edu/en/publications/annihilation-of-ecosystems-by-large-asteroid-impacts-on-the-early/ — « « Large asteroid impacts produced globally lethal conditions by evaporating large volumes of ocean water on the early Earth. The Earth may have been continuously habitable by ecosystems that did not depend on photosynthesis as early as 4.44 Gyr BP. » (résumé seul ; seuils chiffrés repris de Citron et Stewart 2022) »
• citron2022 — Citron, R. I., Stewart, S. T. (2022). Large Impacts onto the Early Earth: Planetary Sterilization and Iron Delivery. Planetary Science Journal. arXiv:2201.09349 DOI 10.48550/arXiv.2201.09349 https://arxiv.org/abs/2201.09349 — « « a 2000-2700 km diameter impactor required to completely melt Earth's surface and an extrapolated >700 km diameter impactor required for ocean-vaporization » ; « Sleep et al. (1989) and Zahnle et al. (2020) suggest that impacts of diameter 350-440 km could vaporize an entire ocean mass of water […] based on the assumption that 25-50% of the impact kinetic energy is partitioned towards vaporizing surface water » ; « inhospitable conditions at the surface would persist for thousands of years post-impact (Sleep et al. 1989) » ; « vaporization of only the upper 200 m of the ocean (the photic zone) ». »
• zahnle2020 — Zahnle, K. J., Lupu, R., Catling, D. C., Wogan, N. (2020). Creation and Evolution of Impact-generated Reduced Atmospheres of Early Earth. Planetary Science Journal. arXiv:2001.00095 DOI 10.48550/arXiv.2001.00095 https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2001.00095 — « « impacts that vaporize the oceans create globally hot, high pressure conditions that can last for thousands of years » ; temps de refroidissement « of the order of 1000 years for most cases we consider » ; « a Vesta-size impact can evaporate and heat 2.3 oceans of water » ; « Roughly one ocean of hydrogen escapes. » »
• marchi2014 — Marchi, S., Bottke, W. F., Elkins-Tanton, L. T., Bierhaus, M., Wuennemann, K., Morbidelli, A., Kring, D. A. (2014). Widespread mixing and burial of Earth's Hadean crust by asteroid impacts. Nature 511, 578–582. DOI 10.1038/nature13539 https://crimson.oca.eu/images/LAGRANGE/pages_perso/morby/papers/P163.pdf — « « the Hadean was plausibly characterized by one to four impactors larger than 1,000 km capable of global sterilization, and by three to seven impactors larger than 500 km capable of global ocean vaporization. The median time for the latest impactor larger than 500 km to hit the Earth was ~4.3 Gyr ago. » ; « Existing oceans would have repeatedly boiled away into steam atmospheres as a result of large collisions as late as about 4 billion years ago. » »
• abramov2009 — Abramov, O., Mojzsis, S. J. (2009). Microbial habitability of the Hadean Earth during the late heavy bombardment. Nature 459, 419–422. Lu via le communiqué de l'université du Colorado (20 mai 2009). DOI 10.1038/nature08015 https://www.colorado.edu/today/2009/05/20/earths-bombardment-asteroids-39-billion-years-ago-may-have-enhanced-early-life-says-cu — « « less than 25 percent of Earth's crust would have melted during such a bombardment » ; « Even under the most extreme conditions we imposed, Earth would not have been completely sterilized » (communiqué ; article non lu). »
• lowe2015 — Lowe, D. R., Byerly, G. R. (2015). Geologic record of partial ocean evaporation triggered by giant asteroid impacts, 3.29–3.23 billion years ago. Geology. Lu via EARTH Magazine, « Ancient asteroids boiled Earth's oceans ». https://www.earthmagazine.org/article/ancient-asteroids-boiled-earths-oceans/ — « Impacteurs de « 50 to 100 kilometers in diameter » à « 3.29 billion and 3.23 billion years ago » ; « tens of meters to perhaps 100 meters of ocean water boiled away » ; atmosphère « above the boiling point of water for more than a year » (compte rendu de presse ; article non lu). »