Regardez notre planète bleue de loin, et vous pourriez facilement conclure que la Terre n’est rien de plus qu’un monde d’eau. Plus de 70 % de sa surface est recouverte d’océans, à une profondeur moyenne de 3 700 mètres. Au cours des éons, cette eau a façonné les continents, construit notre atmosphère et contient (quelque part dans ses profondeurs) le berceau de la vie.
Pour localiser la source de nos océans, il faut commencer par les matières premières
Aujourd’hui, nos océans abritent des millions de formes de vie – des bactéries aux baleines bleues – et se trouvent au centre de l’écologie, du climat et de la météo de notre planète. L’eau qui s’y trouve fait tourner les vents du monde, elle devient temporairement des nuages ou des couches de glace à divers endroits, et elle relie les pôles par de langoureux courants marins profonds – des processus qui sont autant de reflets du rôle singulier de l’eau dans l’absorption et le déplacement de l’énergie du Soleil autour de notre planète.
Pour ces raisons et bien d’autres, en ce qui concerne la vie, les océans sont la Terre.
Mais ces océans n’ont pas toujours existé sur notre planète. Et l’eau qu’ils contiennent est étrangère, arrivée ici plusieurs centaines de millions d’années après que la Terre ait pris forme, il y a 4,5 milliards d’années. À l’époque, la surface de notre planète était un enfer méconnaissable – volcanique et sec comme un os.
L’eau de nos océans, la substance précieuse pour toute forme de vie et qui en est venue à définir notre planète, est arrivée en morceaux gelés depuis l’espace au cours de l’un des épisodes les plus violents de l’histoire primitive de notre planète.
Il y a environ 5 milliards d’années, tous les ingrédients de nos océans flottaient dans une nébuleuse planétaire
Pour localiser la source de nos océans, il faut commencer par les ingrédients bruts. L’eau est la deuxième molécule la plus répandue dans l’univers et chacune est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un d’oxygène.
L’hydrogène provient des instants qui ont suivi la création elle-même, le Big Bang. Lorsque l’univers a explosé il y a 13,7 milliards d’années, une partie de l’énergie issue de l’inimaginable boule de feu a commencé à se condenser en particules et en rayonnements.
Dans ses trois premières minutes, certains des électrons et protons nouvellement formés avaient suffisamment ralenti pour se capturer mutuellement par attraction. Tout l’hydrogène de l’univers a été fabriqué ici et, à ce jour, il reste l’atome le plus commun de l’univers.
Les atomes d’oxygène sont arrivés des millions d’années plus tard. Alors que l’univers continuait à s’étendre, des nuages d’hydrogène se sont agglutinés et leur attraction gravitationnelle mutuelle a fini par devenir si intense que les atomes au centre des nuages ont commencé à fusionner en hélium. Les premières étoiles sont nées et ont brûlé pendant des milliards d’années, jusqu’à ce que le carburant hydrogène en leur centre soit épuisé. À ce moment-là, les étoiles se sont effondrées et ont commencé à faire fusionner leur hélium.
A travers de multiples étapes de fusion, cette première génération d’étoiles a produit bon nombre des éléments lourds que nous connaissons – de l’hélium au fer. Finalement, la pression gravitationnelle en leur sein n’était pas assez forte pour fusionner les atomes lourds qui avaient été créés et les étoiles sont mortes dans des explosions qui étaient, momentanément, plus brillantes que le reste des galaxies dans lesquelles elles existaient.
Leurs noyaux se sont effondrés en une collection dense de particules connue sous le nom de naine blanche, tandis que les explosions ont créé de vastes nuages environnants d’atomes de carbone, de néon, de soufre, de sodium, d’argon, de chlore et, surtout, d’oxygène nouvellement créés.
Cette région de l’espace est devenue l’usine de toutes nos molécules d’eau
Ces vestiges stellaires, appelés nébuleuses planétaires, font partie des plus beaux objets de l’espace. Le rayonnement de l’étoile naine blanche éclaire les nuages de gaz environnants, produisant des couleurs fluorescentes vives et les astronomes ont été amenés à leur donner des noms évocateurs tels que l’œil de chat, les jumeaux étoiles de mer, la boule de neige bleue, l’esquimau et la fourmi.
Il y a environ 5 milliards d’années, tous les ingrédients de nos océans – tout l’hydrogène et l’oxygène qui se retrouveraient sous forme de molécules d’eau à la surface de notre planète – flottaient dans la nébuleuse planétaire dans laquelle notre Soleil est né, s’enflammant à partir d’un nuage d’hydrogène gazeux qui s’effondrait.
Dans cette nébuleuse, bien en dehors de la portée de l’inexorable attraction gravitationnelle du jeune Soleil qui les aurait autrement aspirés, des molécules et des atomes flottaient entre des grains de poussière beaucoup plus gros (gros en termes atomiques mais toujours d’un millionième de la largeur d’un cheveu humain) faits de carbone, de silicium et d’autres éléments.
Il n’y avait pas grand-chose autour – seulement quelques milliers d’atomes par centimètre cube et la plupart étaient de l’hydrogène. Mais cette région de l’espace est devenue l’usine de toutes nos molécules d’eau.
Chaque molécule d’eau sur Terre a commencé son existence précaire sur l’un de ces grains de poussière
Les molécules d’eau qui se trouvent aujourd’hui dans nos océans se sont réunies par hasard sur ces grains de poussière de carbone et de silicium. Le chemin qu’elles ont emprunté pour y parvenir était douloureusement lent et inefficace.
En moyenne, un atome d’hydrogène atterrissait sur un grain de poussière environ une fois par jour mais, étant donné leur masse minuscule, les atomes rebondissaient souvent loin des grains presque aussitôt qu’ils avaient atterri. Les atomes d’oxygène avaient tendance à rester un peu plus longtemps lorsqu’ils touchaient les grains.
Au hasard et très rarement, des atomes à la fois d’oxygène et d’hydrogène frappaient ces grains de poussière et, encore plus rarement, ils le faisaient en même temps et pendant suffisamment longtemps et étaient suffisamment proches sur le grain de poussière pour former des liaisons chimiques entre eux.
Chaque molécule d’eau sur Terre a commencé son existence précaire sur l’un de ces grains de poussière, lorsqu’un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène se sont enchaînés à la poussière et ont commencé à partager leurs électrons extérieurs sur leur nouvelle maison. Au cours de centaines de milliers d’années, alors qu’il dégringolait dans l’espace et entrait en collision avec d’autres atomes d’hydrogène et d’oxygène, chaque grain de poussière a acquis des couches successives de glace, jusqu’à doubler de taille. Lorsque le système solaire avait un million d’années, il était rempli de grains de carbone et de silicium transportant leur manteau de glace irrégulière et amorphe.
Sans atmosphère pleinement développée, les molécules d’eau s’échappaient de la Terre et s’échappaient en bouillonnant dans l’espace
Éventuellement, ces grains de poussière incrustés de glace ont été rapprochés et ils ont coalescé en grains légèrement plus gros. Les particules individuelles ont grandi, d’abord à quelques millimètres de diamètre pour former de minuscules pierres, qui se sont ensuite combinées successivement en roches, blocs, astéroïdes et, finalement, en planètes. Tous les objets que nous connaissons dans notre système solaire sont apparus, tels des phénix, de la danse aléatoire des cendres d’une étoile qui avait explosé dans la mort des millions d’années auparavant.
Avant que les océans puissent atteindre notre planète, celle-ci a dû se former.
Durant ses premiers millions d’années, un énorme disque de roches et de glace tournait autour du Soleil. Il a fallu 20 millions d’années pour que la Terre (et les autres planètes) se coalise à partir de ce tourbillon de débris. Notre première planète, il y a 4,5 milliards d’années, était un endroit férocement chaud. La surface était couverte de volcans, une grande partie du sol coulait avec du magma en fusion, et d’énormes rochers frappaient régulièrement la surface.
Et il pleuvait. Et il a plu. Peut-être pendant des millénaires
L’une des roches en collision avait la taille d’une petite planète et son impact a creusé un morceau de la croûte terrestre et du manteau, qui s’est mis en orbite autour de notre planète et est devenu la Lune. Dans le sous-sol de la Terre, la désintégration des éléments radioactifs a produit une chaleur énorme. Ce n’est pas pour rien que ce premier demi-milliard d’années est connu comme l’ère Hadéenne, du nom d’Hadès, le monde souterrain infernal des Grecs anciens.
La plupart, sinon la totalité, de l’eau à la surface de la Terre à cette époque provenait des roches et de la glace qui s’étaient coalisées pour la former en premier lieu. Mais la première planète a eu du mal à retenir cette eau. En l’absence d’une atmosphère pleinement développée, les molécules d’eau s’échappaient de la Terre et s’échappaient en bouillonnant dans l’espace.
Nul ne sait combien d’objets ont heurté la Terre et combien d’eau ils ont apporté
Pendant ce temps, davantage d’eau était poussée vers la surface par les processus géologiques colossaux qui ont donné à la Terre sa structure interne. Les éléments lourds tels que le fer se sont largement écoulés vers le centre, et les couches distinctes de croûte, de manteau et de noyau que nous voyons aujourd’hui ont commencé à se former. L’eau et les autres composés volatils des roches ont été entraînés vers le haut à mesure que le manteau se refroidissait. Les volcans et autres fissures de la croûte ont permis à la vapeur d’eau surchauffée de s’échapper dans l’atmosphère.
Au bout de 500 millions d’années environ, l’atmosphère et la température s’étaient stabilisées sur Terre et la vapeur d’eau qui avait été entraînée dans l’air a commencé à se condenser. Et il a plu. Et il a plu. Peut-être pendant des millénaires. Si rien d’autre, le déluge raconté par d’innombrables récits mythiques de la création est en corrélation avec ce qui s’est passé dans les premières années, les plus tumultueuses, de la Terre.
La Terre avait maintenant un peu d’eau à sa surface. Mais ces premiers océans, appauvris par les conditions chaudes de la Terre de l’Hadéen, étaient loin de contenir la quantité d’eau que nous voyons sur notre planète aujourd’hui.
La plupart de nos océans sont arrivés d’ailleurs. À peu près au même moment où le déluge s’abattait sur la surface de la Terre, les planètes intérieures de notre système solaire ont été malmenées par des comètes et des astéroïdes riches en eau extraterrestre. Les preuves de ces événements, connus collectivement sous le nom de bombardement lourd tardif, sont gravées à la surface de la Lune.
En avançant rapidement de plusieurs milliards d’années, nous nous retrouvons avec une planète dépourvue de tout océan d’eau liquide
Personne ne sait combien d’objets ont frappé la Terre et quelle quantité d’eau ils ont apportée. Mais cette période de bombardement intense a duré de 4,5 milliards à 3,8 milliards d’années et, à la fin de celle-ci, la Terre avait tous ses océans.
L’origine exacte de ces comètes et astéroïdes est incertaine. Une façon de le savoir est d’examiner les proportions relatives d’eau lourde dans les comètes et les astéroïdes qui proviennent de différentes parties du système solaire. L’eau lourde contient du deutérium, une forme d’hydrogène qui contient un neutron ainsi qu’un proton dans son noyau.
Les mesures effectuées sur certaines des comètes les plus récemment étudiées – dont Halley, Hyakutake et Hale-Bopp – montrent qu’elles ont une proportion de deutérium deux fois plus élevée que celle de l’eau des océans terrestres.
Fin 2014, le mystère s’est approfondi avec les premiers résultats de la mission Rosetta de l’Agence spatiale européenne. Rosetta avait passé 10 ans à parcourir 300 millions de kilomètres dans l’espace pour rattraper la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, l’une des comètes de la famille de Jupiter.
Une fois nos océans en place, le prochain défi de notre jeune planète était de s’y accrocher
Un spectromètre embarqué y a trouvé environ trois fois plus d’eau lourde (par rapport à l’eau ordinaire) que sur Terre. Si ces comètes sont représentatives du système solaire primitif (et il y a peu de raisons de penser le contraire), alors elles n’ont pas pu fournir la même eau que celle qui se trouve actuellement sur Terre – et nous devons continuer à chercher ailleurs pour trouver la source ultime de l’eau de notre planète.
Une fois que nos océans étaient en place, le prochain défi auquel notre jeune planète a été confrontée était de s’y accrocher. Heureusement, notre planète s’est trouvée juste au bon endroit. La Terre s’est formée dans la zone habitable du Soleil, une distance de notre étoile qui n’est ni trop proche ni trop éloignée pour que de l’eau liquide existe à sa surface. Comme si nous avions besoin d’un rappel de la chance de notre emplacement, juste à côté de nous dans le système solaire se trouvent deux leçons salutaires.
Vénus est plus proche que la Terre du Soleil, et souvent citée comme notre jumelle maléfique, un exemple de ce que les choses auraient pu devenir sur notre planète si tout avait mal tourné. Son incapacité à retenir les océans est un exemple clé – l’intense rayonnement solaire sur cette planète aurait créé un monde humide après l’arrivée de l’eau lors du bombardement lourd tardif. La vapeur d’eau aurait atteint jusqu’aux plus hauts sommets de l’épaisse atmosphère de la planète.
Il existe des preuves que l’eau a bien coulé à la surface de la planète rouge à un moment donné de son histoire, mais elle ne coule plus aujourd’hui
Plus l’eau montait en altitude, plus elle était susceptible de rencontrer des rayonnements ultraviolets énergétiques provenant du Soleil, à la suite de quoi chaque molécule d’eau aurait été déchirée en oxygène et en hydrogène. L’hydrogène, étant si léger, se serait alors facilement échappé dans l’espace.
Avance rapide de plusieurs milliards d’années et nous nous retrouvons avec une planète dépourvue de tout océan d’eau liquide.
Mars nous donne l’autre extrême, montrant ce qui arrive à l’eau qui s’est retrouvée trop loin du Soleil pendant le bombardement lourd tardif. Lorsqu’il n’y a pas assez d’énergie solaire pour faire circuler les rivières et les océans d’eau, une planète peut entrer dans un état de glaciation galopante. Les calottes polaires s’étendent et, comme la glace d’eau est blanche, les champs d’eau gelée réfléchissent une quantité croissante de la lumière solaire qui atterrit à la surface.
Dans un cercle vicieux, cela fait que la planète devient encore plus froide. C’est probablement ce qui s’est passé sur Mars, qui orbite juste en dehors de la zone d’eau liquide du Soleil. Il existe des preuves que de l’eau a coulé à la surface de la planète rouge à un moment donné de son histoire, mais elle ne coule plus aujourd’hui.
Heureusement pour nous, la Terre n’a pas été confrontée à une glaciation galopante et son eau n’a pas non plus inexorablement bouillonné. Un milliard d’années après le début de sa vie, elle avait finalement toutes les pièces en place – une atmosphère stable, une position parfaite dans le système solaire et un environnement clément – pour maintenir les vastes océans déterminants que nous observons aujourd’hui.