Pendant l'Hadean Eon, il y a environ 4,5 milliards d'années, le monde était un endroit très différent de ce qu'il est aujourd'hui. C'est également à cette époque que le dégazage et l'activité volcanique ont produit l'atmosphère primordiale composée de dioxyde de carbone, d'hydrogène et de vapeur d'eau.
Il ne reste que peu de cette atmosphère primordiale, et les preuves géothermiques suggèrent que l'atmosphère terrestre peut avoir été complètement effacée au moins deux fois depuis sa formation il y a plus de 4 milliards d'années. Jusqu'à récemment, les scientifiques n'étaient pas certains de ce qui aurait pu causer cette perte.
Mais une nouvelle étude du MIT, Hebrew Univeristy et Caltech indique que le bombardement intense de météorites au cours de cette période pourrait en être responsable.
Ce bombardement météorique aurait eu lieu à peu près au moment où la Lune s'est formée. Le bombardement intense des roches spatiales aurait soulevé des nuages de gaz avec suffisamment de force pour éjecter définitivement l'atmosphère dans l'espace. De tels impacts peuvent également avoir détruit d'autres planètes et même décollé les atmosphères de Vénus et de Mars.
En fait, les chercheurs ont découvert que les petits planétésimaux peuvent être beaucoup plus efficaces que les grands impacteurs - tels que Theia, dont la collision avec la Terre aurait formé la Lune - pour entraîner la perte atmosphérique. D'après leurs calculs, il faudrait un impact géant pour disperser la majeure partie de l'atmosphère; mais pris ensemble, de nombreux petits impacts auraient le même effet.
Hilke Schlichting, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes du MIT, explique que la compréhension des moteurs de l'atmosphère antique de la Terre pourrait aider les scientifiques à identifier les premières conditions planétaires qui ont encouragé la vie à se former.
"[Cette découverte] définit une condition initiale très différente de ce à quoi ressemblait le plus tôt l'atmosphère de la Terre", a déclaré Schlichting. «Cela nous donne un nouveau point de départ pour essayer de comprendre quelle était la composition de l'atmosphère et quelles étaient les conditions pour développer la vie.»
De plus, le groupe a examiné la quantité d’atmosphère qui a été retenue et perdue à la suite d’impacts avec des corps géants, de taille Mars et plus grands et avec des impacteurs plus petits mesurant 25 kilomètres ou moins.
Ils ont découvert qu’une collision avec un impacteur aussi massif que Mars aurait pour effet nécessaire de générer une onde de choc massive à l’intérieur de la Terre et d’éjecter potentiellement une fraction importante de l’atmosphère de la planète.
Cependant, les chercheurs ont déterminé qu’un tel impact n’aurait probablement pas eu lieu, car il aurait transformé l’intérieur de la Terre en une boue homogène. Étant donné l’apparition de divers éléments observés à l’intérieur de la Terre, un tel événement ne semble pas s’être produit dans le passé.
Une série de petits impacteurs, en revanche, générerait une sorte d'explosion, libérant un panache de débris et de gaz. Le plus grand de ces impacteurs serait suffisamment puissant pour éjecter tout le gaz de l'atmosphère immédiatement au-dessus de la zone d'impact. Seule une fraction de cette atmosphère serait perdue suite à des impacts plus faibles, mais l'équipe estime que des dizaines de milliers de petits impacteurs auraient pu la supprimer.
Un tel scénario s'est probablement produit il y a 4,5 milliards d'années au cours de l'Eon Hadéen. Cette période a été celle du chaos galactique, alors que des centaines de milliers de roches spatiales tournoyaient autour du système solaire et que beaucoup auraient percuté la Terre.
«À coup sûr, nous avions tous ces petits impacteurs à l'époque», explique Schlichting. "Un petit impact ne peut pas se débarrasser de la plupart de l'atmosphère, mais collectivement, ils sont beaucoup plus efficaces que les impacts géants et pourraient facilement éjecter toute l'atmosphère terrestre."
Cependant, Schlichting et son équipe ont réalisé que l'effet de somme des petits impacts peut être trop efficace pour générer des pertes atmosphériques. D'autres scientifiques ont mesuré la composition atmosphérique de la Terre par rapport à Vénus et Mars; et par rapport à Vénus, les gaz nobles de la Terre ont été épuisés 100 fois. Si ces planètes avaient été exposées au même blitz de petits impacteurs à leurs débuts, alors Vénus n'aurait plus d'atmosphère aujourd'hui.
Elle et ses collègues sont revenus sur le scénario des petits impacteurs pour essayer de tenir compte de cette différence dans les atmosphères planétaires. Sur la base de calculs supplémentaires, l'équipe a identifié un effet intéressant: une fois la moitié de l'atmosphère d'une planète perdue, il devient beaucoup plus facile pour les petits impacteurs d'éjecter le reste du gaz.
Les chercheurs ont calculé que l'atmosphère de Vénus n'aurait qu'à commencer légèrement plus massive que celle de la Terre pour que les petits impacteurs érodent la première moitié de l'atmosphère terrestre, tout en gardant Vénus intacte. À partir de ce moment, Schlichting décrit le phénomène comme un «processus d'emballement - une fois que vous parvenez à vous débarrasser de la première moitié, la seconde moitié est encore plus facile».
Cela a donné lieu à une autre question importante: qu'est-ce qui a finalement remplacé l'atmosphère terrestre? Après de nouveaux calculs, Schlichting et son équipe ont trouvé les mêmes impacteurs que le gaz éjecté peut également avoir introduit de nouveaux gaz, ou volatils.
«Lorsqu'un impact se produit, il fait fondre le planétésimal et ses substances volatiles peuvent pénétrer dans l'atmosphère», explique Schlichting. «Non seulement ils peuvent épuiser, mais aussi reconstituer une partie de l'atmosphère.»
Le groupe a calculé la quantité de substances volatiles qui peuvent être libérées par une roche d'une composition et d'une masse données, et a constaté qu'une partie importante de l'atmosphère pouvait avoir été reconstituée par l'impact de dizaines de milliers de roches spatiales.
«Nos chiffres sont réalistes, compte tenu de ce que nous savons du contenu volatil des différentes roches que nous avons», note Schlichting.
Jay Melosh, professeur de sciences de la terre, de l'atmosphère et des planètes à l'Université Purdue, dit que la conclusion de Schlichting est surprenante, car la plupart des scientifiques ont supposé que l'atmosphère terrestre était effacée par un seul impact géant. D'autres théories, dit-il, invoquent un fort flux de rayonnement ultraviolet du soleil, ainsi qu'un «vent solaire inhabituellement actif».
«La façon dont la Terre a perdu son atmosphère primordiale est un problème de longue date, et cet article va un long chemin vers la résolution de cette énigme», explique Melosh, qui n'a pas contribué à la recherche. "La vie a commencé sur Terre à cette époque, et donc répondre à la question sur la façon dont l'atmosphère a été perdue nous dit ce qui aurait pu déclencher l'origine de la vie."
À l'avenir, Schlichting espère examiner de plus près les conditions sous-jacentes à la formation précoce de la Terre, y compris l'interaction entre la libération de substances volatiles par les petits impacteurs et l'ancien océan magma de la Terre.
«Nous voulons connecter ces processus géophysiques pour déterminer quelle était la composition la plus probable de l'atmosphère au temps zéro, lorsque la Terre vient de se former, et nous espérons pouvoir identifier les conditions de l'évolution de la vie», explique Schlichting.
Schlichting et ses collègues ont publié leurs résultats dans l'édition de février de la revue Icarus.
