L’eau des origines
Octobre
2002
Où la recherche d’une réponse à une question séculaire
permet de mettre en évidence deux attitudes opposées sur la
façon d’envisager le statut de notre planète
D’où vient l’eau de la Terre? Cette question, loin d’être
neuve, se pare aujourd’hui d’une importance nouvelle, car
elle est indirectement reliée au problème plus vaste de la
vie dans l’univers. En effet, toutes les formes de vies
actives que nous connaissons sont peu ou prou dépendantes
de l’eau. Ce liquide aux propriétés physico-chimiques
extraordinaires permet la réalisation, à une vitesse
convenable, de toutes les réactions chimiques à la base du
vivant. On peut donc légitimement se demander si
l’abondance de l'eau terrestre résulte d’un phénomène
exceptionnel ou si, au contraire, elle provient de
processus largement répandus au niveau des différentes
planètes peuplant notre galaxie.
Jusqu’aux années 60, pour la plupart des géologues, la
cause était entendue: l’eau provenait uniquement des
entrailles de notre planète. Lors de sa formation, les
éléments lourds ont percolé vers le centre de celle-ci pour
constituer un noyau métallique alors que les éléments les
plus légers, comme l’eau contenue dans les roches, ont été
rejetés vers l’extérieur, formant ainsi une atmosphère
primitive (H2O, CO2, et quelques traces d’azote
principalement). L’émission de vapeur d’eau par les
éruptions volcaniques actuelles donne une idée du
déroulement, à petite échelle, de ce processus qui peut
également être observé au niveau des “fumeurs noirs”, ces
sources chaudes sous marines proches des dorsales
océaniques, qui constituent un pont entre l’eau mantellique
et celle des océans. A ce niveau, des eaux noirâtres riches
en fer et manganèse permettent la formation de concrétions
où prolifèrent des formes de vies pour le moins exotiques,
tirant leur énergie de composés minéraux.
Une des conséquences de l’opinion dominante était que l’eau
de la Terre provenait d’une zone bien définie autour du
soleil, dans une région où la composition du “matériau
primitif” était assez particulière, et qu’elle devait être
rare à grande distance de cette dernière. Nous nous
retrouvions donc sur la seule planète riche en eau, dans
une “oasis dans l’espace” pour reprendre les mots de J.Y.
Cousteau.
À l’appui de cette thèse, toujours présente aujourd’hui
dans les livres scolaires, l’étude des météorites les plus
communes, les chondrites carbonées, à partir desquelles la
planète s’est formée: fondues, ces roches dégagent de la
vapeur d’eau ainsi que du CO2. On se retrouvait ainsi avec
un modèle cohérent, qui donnait à l’eau de la Terre une
origine purement endogène. Ce point de vue “terro-terrien”
se mua bien vite en un dogme, même si de nouveaux faits
allaient conduire à son réexamen critique...
Que
d’eau! Que d’eau!
Cette vision d’une origine purement terrestre de l’eau fut
mise à mal par le développement de l’astrophysique et de
l’exploration spatiale. De nouveaux éléments apparurent,
mettant à mal ce modèle pourtant toujours enseigné:
• L’étude de la formation du système solaire et celle des
étoiles jeunes montra que ces dernières, au début de leur
existence, sont à l’origine d’une importante pression de
radiation qui “souffle” loin d’elles les éléments volatils
comme... l’eau. Cette dernière se trouvait alors rejetée
loin dans le système solaire, et n’était plus disponible
pour former les premiers embryons de planètes telluriques.
• De l’eau fut pourtant découverte, sous des formes
diverses, sur à peu près tous les corps célestes situés
plus loin du soleil que Mercure. Plus on s’éloignait du
soleil, et plus cette eau devenait abondante. Aux confins
du système solaire, de nombreux corps gelés constituant la
ceinture de Kuyper où, plus loin encore, les innombrables
noyaux cométaires du nuage de Oort se révélèrent
essentiellement constitués d’un amalgame de glaces et de
poussières.
• L’étude plus détaillée des météorites montra que si
quelques chondrites (les “ivuna”) contenaient bien une
quantité d’eau appréciable, tel
n’était peut être pas le cas de la majorité de
celles qui ont du s’agglomérer pour former notre planète
(1) qui sont plutôt pauvres en éléments volatils.
• La détermination de l’origine de la Lune, grâce aux
échantillons ramenés par les missions Apollo et les sondes
Luna, montra que notre satellite avait été formé à la suite
de l’impact d’un corps de la taille de Mars avec la jeune
Terre. Or, cette collision ne laisse pas place au doute:
elle a été si puissante que l’atmosphère de la planète
entière en a été soufflée! Il fallait donc absolument
qu’elle ait pu par la suite se reconstituer... alors même
que les roches terrestres, solidifiées, ne pouvaient plus
être à l’origine d’un dégazage massif !
Outre ces difficultés, il restait aussi à expliquer les
différences observées entre les planètes telluriques,
pourtant formées à partir d’une “pâte” similaire: au début
de leur histoire, Vénus ou Mars devaient contenir une
quantité d’eau comparable à celle présente sur Terre. Il en
était de même pour les corps massifs qui ont servi
d’embryon aux planètes géantes, situées plus loin dans le
système solaire. Seule la destinée de cette eau primordiale
allait cependant différer selon l’orbite suivie par les
jeunes planètes (tableau 1) .
Tableau 1: Devenir de l’eau des différentes planètes du
système solaire
Bien loin d’être une denrée rare, l’eau se révélait donc
abondante dans le système solaire.
Pire encore, les radioastronomes découvrirent la
“signature” radio de cette molécule dans d’immenses
nuages moléculaires répartis dans la voie lactée: la
molécule H2O se révélait bien plus commune que l’on ne le
pensait, son omniprésence dans la galaxie lui assurant de
figurer en bonne place lors de la formation de n’importe
quel système planétaire. Restait à prendre à compte les
faits nouveaux que nous avons recensés. Autour de cette
question, deux écoles allaient se créer et s’entredéchirer:
aux tenants d’une origine endogène, purement géologique, de
l’eau de la Terre, allaient s’opposer ceux pour qui son
origine ne pouvait être qu’extraterrestre...
Dégazage versus bombardement
Conjointement à la découverte d’eau dans le système
solaire, l’étude des surfaces planétaires et satellitaires
démontra rapidement que les débuts du système solaire
avaient constitué une époque particulièrement violente ou
des collisions fréquentes et titanesques se produisirent
entre les jeunes planètes et d’autres corps célestes, comme
les astéroïdes et les comètes. Ces bombardements prenaient
leur origine dans la formation des planètes lointaines,
Uranus et Neptune, qui perturbèrent les orbites d’un grand
nombre de petits corps circulants aux confins du système
solaire. La surface grêlée de cratères de notre satellite
témoigne de cette période apocalyptique de notre histoire.
Notre planète, bien plus massive que la Lune, fut aussi
plus intensivement “bombardée “ encore (25 fois plus!),
mais les traces de ces collisions furent effacées par la
suite par le jeu des mouvements de l’écorce terrestre et
l’érosion de sa surface. Ces bombardements n’auraient-ils
pas pu apporter à la surface de la Terre, mais aussi des
autres planètes, de grandes quantités d’eau?
Nombreux furent alors les astronomes qui étudièrent une
possible origine exogène de l’eau terrestre. Cette soudaine
irruption des astrophysiciens dans le pré carré des
géologues de terrain eu souvent pour effet
de radicaliser les positions de ces derniers, qui se
cramponnèrent derechef au modèle, pourtant de plus en plus
improbable, du dégazage massif. Pourtant, notre eau aurait
pu provenir des impacts de météorites fortement hydratées
ou de comètes. Les comètes étant les corps célestes les
plus riches en glace, leur apport aurait du se révéler
majoritaire. Mais comment vérifier l’origine de l’eau? Une
fois de plus, la physique et ses techniques de mesure
allaient venir au secours des théoriciens en mal
d’explications.
Une indication de l’origine de l’eau nous est donnée par
l’étude du rapport isotopique D/H de l’eau terrestre. Un
isotope est un atome comportant un ou plusieurs neutrons en
plus ou en moins dans son noyau. Le plus célèbre est le
(fameux) carbone 14 (2 neutrons supplémentaires), qui
possède un petit cousin, le carbone 13, alors que la
majorité écrasante des atomes de C bien sous tous rapports
sont des C12. Le point important est que les neutrons
excédentaires alourdissent le noyau atomique, qui ne
participe pas tout à fait aux réactions chimiques de la
même façon que son cousin plus léger.
La molécule d’eau comprend 2 atomes d’hydrogène pour un
d’oxygène. C’est l’hydrogène dont on analyse la
composition: le H des origines ne contient pas de
neutrons dans son noyau, alors qu’un de ses
isotopes, le deutérium (D) en contient un. La mesure
de ce rapport D/H au niveau de 3 comètes
(Halley,
Hale-Bopp et Hyakutake)
montre que ce rapport est 2 fois plus élevé pour les
comètes que pour l’eau terrestre (4). Or, aucun mécanisme
connu ne permet de diminuer ce rapport. L’eau terrestre
n’est donc pas apparemment entièrement d’origine cométaire,
mais dans quelles proportions? Le mieux que l’on puisse
faire pour le moment est de fixer une limite de 30% environ
pour l’eau d’origine cométaire, ce qui est déjà loin d’être
négligeable. En effet, les mesures effectuées ne permettent
pas de conclure définitivement: elles ne concernent que 3
comètes à longue période, orbitant la plupart du temps loin
du soleil. On ignore encore la valeur de ce rapport pour
les comètes à courte période, à l’histoire différente, et
qui ont probablement constitué le gros des bataillons qui
se sont abattus sur les planètes au début de leur histoire
tourmentée. Encore une fois, le dialogue entre théoriciens
et expérimentateurs gagnerait à être amélioré, car
comme le déclarait l’astrophysicien F.
Zwicky, obstiné découvreur des supernovae : “Si
seulement les théoriciens savaient ce qui est derrière une
mesure expérimentale et si les observateurs savaient ce qui
est derrière un calcul théorique, ils se prendraient
mutuellement beaucoup moins au sérieux”.
Cependant, un autre indice de l’importance de l’eau
cométaire nous est fourni par l’estimation du nombre de
comètes ayant percuté la Terre: si l’on se base sur le taux
de cratérisation de 33 bassins lunaires, relevé par C.
Chyba, de l’université Cornell, on arrive à un minimum de
40% d’eau d’origine extraterrestre (5). Il est donc tout à
fait plausible que les autres planètes du système solaire
aient elles aussi reçu des quantités d’eau comparables. Si
les comètes ont bel et bien été les “porteuses d’eau” du
jeune système solaire, il reste cependant à expliquer la
dissonance relevée au niveau du rapport D/H. De plus,
l’étude des noyaux cométaires a révélé leur richesse en
molécules complexes, inattendues à leur niveau. N’ont-elles
pas pu apporter d’autres éléments que l’eau? Dans leurs
passages répétés près du soleil, les comètes émettent dans
leur chevelure d’énormes quantités de poussières, formant
des nuages périodiquement traversés par la Terre. Ces nuées
poussiéreuses ont-elles pu jouer, elles aussi, un rôle dans
l’acquisition de l’eau terrestre? Pour le savoir, l’étude à
distance ne suffit pas: il faut aller voir par nous-mêmes,
ce que se proposent de faire deux missions spatiales
actuellement en cours.
Des plans sur les comètes
Depuis que la petite sonde Giotto est passée près du noyau
de la comète de Halley en 1986, plusieurs missions se sont
donné pour but l’étude de ces astres errants. Une des
difficultés à résoudre (et non des moindres!) est que
l’orbite des comètes diffère considérablement de celle des
planètes: plus elliptique, elle ne permet que de brèves
rencontres, et mettre une sonde en orbite autour de corps
si peu massifs, à la morphologie irrégulière et à la
densité mal connue est extrêmement ardu. Cependant, l’étude
d’une des sources de l’eau originelle valait bien quelques
efforts des ingénieurs, et trois missions ont été
consacrées à l’étude des comètes. L’une d’elles a déjà
échoué: la sonde spatiale Contour s’est brisée en deux en
août 2002 pour une raison inconnue. Les caractéristiques
des missions survivantes (6,7) sont résumées dans le
tableau 2.
Tableau 2: Missions cométaires actuelles
Poussières
de comètes
Résumons-nous : nous nous trouvons coincés entre des
roches terrestres trop pauvres en eau pour expliquer
l’existence des océans et des comètes riches en eau, mais
qui ne sont apparemment pas à l’origine de nos océans.
C’est alors qu’entre en jeu l’étude des micrométéorites
issues des chevelures cométaires qui, continuellement,
bombardent notre planète. Actuellement, chaque année voit
40000 tonnes de ces grains de
sable d’outre espace tomber sur notre
planète. Si ces poussières sont essentiellement d’origine
cométaire,il en existe aussi provenant des astéroïdes ou
des régions interplanétaires.
Recueillir sur Terre ces poussières nécessite de vastes
étendues désertiques, éloignées des centres industriels,
dans lesquelles la récolte peut être aisément distinguée
des minéraux terrestres. L’antarctique semble tout désigné
pour cela, et c’est dans cette contrée inhospitalière que
l’équipe de l’astrophysicien M. Maurette a recueilli
et analysé une grande quantité de ces
micrométéorites, avec des surprises à la clef:
- 90 % des micrométéorites sont constituées d’un matériau
carboné riche en eau
- le rapport isotopique D/H de l’eau constitutive de ces
poussières est identique à celui des océans terrestres (une
contamination d’origine endogène pouvant être écartée)
- les rapports isotopiques d’autres éléments, comme le
néon, correspondent à ceux observés sur Terre. Il en est de
même pour le CO2 et l’azote.
Il semble donc que l’eau de notre planète ait bien une
origine essentiellement extra-terrestre: le calcul
montre qu’à la suite de la formation de la Lune, le
nombre de comètes, et partant le flux de micrométéorites,
étaient plus de 100 millions de fois supérieur à ce qu’il
est actuellement, déposant à la surface de notre planète
l’équivalent d’une couche de 3 kilomètres d’épaisseur!
Il va d'ailleurs être possible d’avoir une (faible) idée de
cette période d’intense contamination de la Terre: les 17
et 18 novembre 2002, notre planète va traverser un essaim
de poussières issu de la comète Temple-Tuttle. A cette
occasion, une véritable tempête d’étoiles filantes est
prévue, dans lignée de celle qui, en 1833, rendit le
ciel si lumineux que l’on voyait nettement, en pleine nuit,
les ombres des observateurs!
L’eau
sous la glace
Bien après que notre planète se soit formée et que
l’environnement y soit devenu un peu plus calme, la vie
s’est rapidement développée... dans l’eau! Elle ne quittera
cet élément que tardivement, il y a 420 millions d’années
“seulement” (ce qui revient à dire que 90 % de
l’histoire de la vie s’est déroulée dans les océans).
Reste t’il des témoins actuels de ces époques
reculées, des “lacs fossiles” constituants des écosystèmes
hors du temps? Il semble que oui. Sous la calotte
glaciaire de l’antarctique, il existe 68 lacs isolés de
l’atmosphère depuis des millions d’années, par des km de
glace. Le plus étendu de ces lacs (230 km de long sur
50 de large, 500 m de profondeur) se nomme Vostok, et
a été découvert en 1996 grâce aux images satellitaires de
Radarsat, ce qui l’a sauvé in extremis d’une contamination
dévastatrice qui aurait été provoquée par les fluides
utilisés pour forer dans la glace (8).
Ces eaux profondes sont totalement isolées de
l’énergie solaire, de l’oxygène de l’air, soumis à
d’énormes pressions, et devraient se révéler aussi pauvre
en éléments nutritifs et aussi stériles que l’océan enfoui
sous la croûte gelée d’Europe, un des gros satellites
de Jupiter. Et pourtant... malgré que la surface du lac
n’ai jamais été atteinte par forage (les chercheurs voulant
être sur de disposer de techniques interdisant
toute contamination par leurs instruments avant de réaliser
ce prélèvement), des échantillons de glace ramenés de 150 m
de la surface du lac ont révélé la présence d’une
inattendue vie microbienne (9). Reliquat de bactéries
prises au piège sous les glaces, et ayant trouvé le
chemin de la survie, ou contamination venue de la
surface?Les travaux ultérieurs le diront, mais rien
n’empêche, comme le mentionne C. Ellis-Evan, de la
British Antarctic survey, l’existence d’une vie
microbienne dans les anciens sédiments reposants au fond du
lac... Des équipes de chercheurs viennent d’ailleurs de
mettre en évidence l’existence de micro-organismes
similaires (10), anaérobies, utilisant le méthane, aux
niveaux des dépôts sédimentaires de la mer Noire. Le lac
Vostok constitue même le terrain d’essai rêvé pour les
robots foreurs qui partiront explorer l’océan qui devrait
se trouver à plusieurs km sous la croûte gelée d’Europe, un
satellite de Jupiter, dans le cadre du projet Europa
explorer. Reste à mettre au point un protocole et des
techniques permettant de prélever des échantillons sous
plusieurs km de glace sans risque de contamination, ce qui
risque de s’avérer difficile: le premier trou de
forage soviétique, heureusement inachevé, reste rempli d’un
mélange antigel à base de kérosène qu’il faudra
tout d’abord évacuer tout en évitant le colmatage du canal
percé dans la glace... Du travail en perspective pour les
ingénieurs!
Les
planètes bleues
Si la Terre est aujourd’hui la planète de l’eau liquide, il
ne faut cependant pas croire qu’au cours de son histoire il
en a toujours été ainsi: il y a 600 millions d’années,
toute la surface terrestre s’est retrouvée congelée (11).
Seul le fond des océans, échappant à la prise en glace
grâce à l’énergie géothermique, a alors permis la survie
des premières formes de vie... Notre planète devait alors
ressembler à s’y méprendre à Europe, l’énigmatique
satellite jovien. La planète bleue, à cette époque, n’était
qu’un désert blanc, inhospitalier en apparence, mais riche
de potentialités futures. L’histoire de notre planète nous
indique donc que l’absence d’eau liquide visible n’est pas
pour autant le signe d’une absence de vie. Cet enseignement
devrait être médité par les doctes qui affirment que la
terre est le nombril du cosmos, et refusent d’envisager
toute vie sous des ciels différents de notre azote
bleuté...
Nous avons vu combien les conceptions ne faisant appel qu’à
des matériaux endogènes se sont révélées insuffisantes à
expliciter l’origine de l’eau terrestre. Il devient petit à
petit évident que l’on ne peut plus décrire l’histoire de
la Terre comme étant indépendante de celle du système
solaire. Contrairement à ceux qui veulent restreindre leurs
démarches explicatives à l’environnement strictement
terrestre, contingentant ainsi leur réflexion à une échelle
par trop limitée, la résolution des
problèmes concernant l’histoire de notre planète ne peut
s’effectuer que dans un cadre plus large englobant non
seulement la planète, mais aussi l’ensemble de la dynamique
du système solaire: variations de l’orbite terrestre,
collisions avec astéroïdes, comètes et micrométéorites,
modifications de l’activité solaire et trajet de notre
étoile dans la galaxie sont autant de facteurs qui entrent
en ligne de compte lorsque l’on essaye de retranscrire
l’histoire de notre planète, de son eau et des êtres
vivants qui en sont issus. L’universalité de l’eau,
première molécule de la vie, nous permet d’affirmer avec E.
Deloule (12) que “ce constituant essentiel à la Vie doit
vraisemblablement recouvrir la surface de nombreuses
planètes dans la Galaxie.” Ainsi est tracé le sillon qui,
de la comète à l’homme, intègre nos vies dans un cadre
cosmique dont nous ne possédons qu’une imparfaite
connaissance, nous impliquant dans un processus dont
l’essence nous reste inintelligible.
R.Raynal
Dr de l’université de Toulouse
Références bibliographiques
1
- Maurette M. L’origine cosmique de l’air et des océans.
Pour La Science 291, 01/2002, 36-43
2 -
Bullock M, Grinspoon D.
Le climat variable de Vénus. Pour la science 259,
05/1999, 34-41
3 - Clark S.
Acidic clouds of Venus could harbour life. New scientist,
26/09/ 2002
4
- Encrenaz T. - Atmosphères planétaires, origines et
évolution. ed. CNRS, 2000, 54-55
5 - Bendjoya P. Collisions dans le système solaire, ed
Belin, 1998
6 - http://sci.esa.int/home/rosetta/index.cfm
7 - http://stardust.jpl.nasa.gov/welcome/index.html
8
-Siegert M., Ellis-Evans J., Tranter M., Mayer C., Petit
JR., Salamatin A., Priscu J. Physical, chemical and
biological processes in Lake Vostok and other Antarctic
subglacial lakes.
Nature, V. 414, 12/2001, 603-609.
9 - Warwick V. Science, 10/12/ 2001
10 -
Michaelis W, Seifert R, Nauhaus K, Treude T, Thiel V,
Blumenberg M, Knittel K, Gieseke A, Peterknecht K, Pape T,
Boetius A, Amann R, Jørgensen BB, Widdel F, Peckmann J,
Pimenov NV, Gulin MB. Microbial Reefs in the Black Sea
Fueled by Anaerobic Oxidation of Methane.
Science 9/08/2002, 1013-1015
11 -
Hoffman P., Schrag D.
Quand la Terre était gelée. Pour la science 268,
02/2000, 30-37
12 - Deloule E & al. Geochim. Cosmochim.
Acta 1998 62, 3367-3378
Recueillir
les micrométéorites
Il est relativement simple de recueillir de petites
quantités de météorites, et de les examiner sous le
microscope. Après l’averse du 18 novembre, notre atmosphère
sera tout empoussiérée. La première pluie suivant cette
date entraînera au sol les poussières cométaires. Il vous
suffira de disposer une bassine propre, ou tout autre
récipient, pour recueillir cette eau. Une fois évaporé, il
restera un peu de poussière au fond. En enveloppant un
aimant dans un mouchoir en papier, vous recueillerez les
particules contenant un peu de fer: ce sont les
micrométéorites. Leur aspect est noirâtre, elles forment de
petites sphères. Attention cependant: si vous habitez
près d’un grand centre industriel, vous recueillerez
surtout des scories d’origine tout à fait
humaine!
Pour
en savoir plus:
http://www.mala.bc.ca/~earles/vostok-
http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99992843dec01.htm
www.health.fgov.be/WHI3/krant/krantarch2002/
kranttekstaug2/020828c02Science.htm