Les réactions chimiques sur la Terre primitive pourraient avoir façonné son océan – Ars Technica

L’eau a fait de la Terre ce qu’elle est – une planète connue pour ses océans bleus. L’eau forme la Terre par l’érosion et est essentielle à la capacité de la Terre à soutenir la vie. Mais nous avons du mal à comprendre comment la Terre s’est retrouvée avec toute cette eau, puisque les blocs de construction qui l’ont créée se sont probablement asséchés, et les collisions qui ont transformé ces blocs de construction en une planète auraient dû pousser toute eau de surface dans l’espace. .

Divers moyens d’amener de l’eau à la Terre après sa formation ont été proposés. Mais une nouvelle étude prend des informations glanées lors de l’examen des exoplanètes et les applique à la Terre. Les résultats indiquent que les réactions chimiques qui auraient eu lieu lors de la formation de la Terre auraient produit suffisamment d’eau pour remplir les océans du monde. Et comme avantage secondaire, le modèle explique la densité quelque peu étrange du noyau terrestre.

imperméable

La Terre semble avoir été créée principalement à partir de matériaux du système solaire interne. Non seulement ce matériau était au bon endroit, mais le matériau des astéroïdes de la région offrait une bonne correspondance en termes de compositions élémentaires et isotopiques. Mais ce matériau est aussi très sec. Ce n’est pas une surprise. Les températures dans cette région auraient empêché l’eau de se condenser en un solide, comme cela peut exister dans le système solaire, au-delà d’un point connu sous le nom de « ligne de glace » de l’eau.

Toute eau dans l’espace aurait été perdue, car on pense que le processus de construction de la planète s’est produit par des collisions entre de petits corps, les corps plus grands devenant progressivement plus gros à mesure que des corps plus petits continuaient à entrer en collision avec eux. Une grande partie de l’eau contenue dans ces objets s’évaporerait et serait peut-être perdue dans l’espace.

Mais trois chercheurs (Edward Young, Anat Shahar et Hilke Schlichting) se sont concentrés sur un facteur supplémentaire qui aurait pu être présent lors de la formation du système solaire : l’hydrogène. On pense que l’hydrogène est présent en grande quantité au début de la formation des planètes, mais qu’il est ensuite expulsé par le rayonnement émis une fois que l’étoile centrale s’enflamme. Dans notre système solaire, une partie a été capturée par les planètes extérieures avant d’être perdue. Mais nos planètes intérieures semblent s’être formées avec peu ou pas d’éléments au début de leur histoire.

Mais un regard sur les exoplanètes suggère que ce n’est pas un destin inévitable. Nous avons trouvé plusieurs planètes super rocheuses qui semblent également manquer d’atmosphères riches en hydrogène. Mais il y a un vide d’environ deux fois le rayon de la Terre où l’on voit beaucoup de jeune Neptune, qui semble avoir conservé une atmosphère épaisse, probablement riche en hydrogène. Cela a conduit à la suggestion que toutes les planètes rocheuses commencent dans un environnement riche en hydrogène et forment leurs premières atmosphères à partir de cela. Mais en dessous d’une certaine taille, cet hydrogène est perdu plus tard dans leur histoire. Toutes les atmosphères présentes sur ces planètes sont probablement le résultat d’une formation secondaire.

En prenant cela à sa conclusion logique, la Terre a peut-être également commencé avec une atmosphère riche en hydrogène. Par conséquent, les chercheurs impliqués dans la nouvelle étude ont décidé d’examiner quelles pourraient être les conséquences de ce scénario.

Chimie planétaire

Pour explorer cette idée, les chercheurs ont essentiellement modélisé un réacteur chimique géant rempli de la plupart des composants de la Terre primitive et étendu à la taille d’un grand précurseur de la Terre (la moitié de la taille de la Terre actuelle). Cela inclut des éléments tels que les oxydes de fer, le sodium, divers silicates, le dioxyde de carbone, le méthane, l’oxygène, etc. Tout cela a été placé sous une atmosphère riche en hydrogène et chauffé pour refléter les océans de magma des collisions répétées qui se sont produites lors de la formation des planètes.

Cette période a probablement duré des dizaines de millions d’années, en partie parce que les atmosphères d’hydrogène ont tendance à très bien retenir la chaleur (elles peuvent agir comme un gaz à effet de serre). Cela donne aux réactions chimiques en cours – dont 18 ont été suivies par les chercheurs – le temps d’atteindre l’équilibre et suffisamment de temps pour que les différents matériaux à l’intérieur de la planète se séparent en fonction de la densité.

L’une des choses qui se passe est que de nombreux éléments sont incorporés dans le noyau de fer, notamment l’oxygène, le silicium et l’hydrogène. Étant donné que tous ces éléments sont moins denses que le fer, cela a pour effet de rendre le noyau moins dense qu’il ne le serait s’il s’agissait de fer pur – ce qui est vrai pour la Terre réelle.

Dans certaines réactions, la fusion de l’hydrogène implique le déplacement de l’oxygène, et le sous-produit de ces réactions est l’eau. Dans les conditions explorées ici, les réactions produisent le même volume que celui trouvé dans les océans actuels de la Terre. « Même si les roches du système solaire interne sont complètement sèches », ont écrit les chercheurs, les réactions entre H.₂ L’atmosphère et les océans de magma généreront d’abondantes quantités de H₂O. Autres sources de H₂O est possible, mais pas obligatoire.

limites de la modélisation

Du côté positif, la simulation fonctionne avec une large gamme de températures – tout ce qu’il faut, c’est suffisamment de chaleur pour maintenir la planète en fusion pendant que les processus décrits ici atteignent l’équilibre. Cela fonctionne également pour différentes tailles de précurseurs, mais cela échoue si le précurseur est trop petit. Cela correspond à l’extrême sécheresse de Mars et de Mercure. La variable primaire se termine par la quantité d’eau produite ; Si plus d’hydrogène se retrouvait dans le noyau, cela pourrait facilement créer un monde aquatique trois fois plus grand que les océans d’aujourd’hui.

Bien que le modèle soit robuste à de nombreux changements dans les conditions initiales, il est limité par le fait qu’il ne donne pas une image complète de la chimie de la Terre primitive. Il convient de noter que le soufre et l’azote ont joué un rôle majeur dans la chimie de la Terre.

Mais la grande lacune dans le modèle est ce qui se passe après la formation de l’eau. Parce qu’il y a un océan de magma, il se retrouvera dans l’atmosphère, où il peut être séparé par le rayonnement solaire et perdu si l’hydrogène du système solaire se dissipe effectivement. Il en va de même pour toutes les séquelles qui ont réchauffé la planète, comme l’impact géant qui a façonné la lune. S’il y a encore assez d’hydrogène, ce n’est pas un problème car l’eau peut le réparer. Les chercheurs citent des recherches montrant qu’une atmosphère riche en eau pourrait survivre même à un impact massif. Enfin, vous pouvez imaginer des conditions dans lesquelles un excès initial d’eau a été produit, mais suffisamment a été perdu par ces processus pour laisser la Terre dans son état actuel.

Ainsi, si la production d’eau ne nécessite aucun réglage fin des conditions, sa conservation peut l’être.

Mais les implications pour les mondes extérieurs au nôtre semblent un peu plus importantes. Ces résultats indiquent qu’un large éventail de conditions initiales a dû produire de l’eau lors de la formation des planètes rocheuses. Par conséquent, lorsque nous pensons aux planètes dans les exosystèmes, il pourrait être plus discutable de se demander si elles ont connu des conditions qui leur auraient fait perdre de l’eau que de se demander si elles auraient pu en avoir en premier lieu.

Nature, 2023. DOI : 10.1038 / s41586-023-05823-0 (à propos des DOI).