Au début de son histoire, la luminosité du Soleil était inférieure d’environ un tiers à ce qu’elle est maintenant. Depuis, elle n’a cessé d’augmenter et l’évolution va se produire de plus en plus vite jusqu’à la fin de sa vie. Dans ces conditions, si l’atmosphère avait la même composition que maintenant, au début de l’Archéen (de 4 à 2,5 milliards d’années), la Terre aurait dû être gelée. Or sa surface était plus chaude que maintenant. Pour résoudre ce paradoxe du Soleil froid, on fait appel aux gaz à effet de serre. Actuellement, les premiers d’entre eux sont la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane. Ils sont présents en faible quantité, avec des taux respectifs de 280 ppmv (parties par million en volume) et de 0,75 ppmv avant l’ère industrielle. Le méthane CH₄ est un gaz à effet de serre plus puissant que le CO₂ mais il est beaucoup moins abondant.
La première hypothèse que l’on puisse avoir à l’esprit est qu’il y avait autrefois plus de CO₂ que maintenant. On sait par quel mécanisme ce gaz a été retiré de l’atmosphère : son carbone est en grande partie piégé dans les sédiments, au sein des carbonates et des hydrocarbures. Toutefois, il a été démontré que son taux n’a pas dépassé 3 000 ppmv (soit 0,3 %) à la fin de l’Archéen et au début du Protérozoïque (de 2,5 milliards d’années à 541 millions d’années). Si sa concentration avait été supérieure, il aurait immanquablement réagi avec le fer contenu dans les sols pour former du carbonate de fer, un minéral appelé la sidérite. On n’en trouve aucune trace dans les paléosols, dont les plus anciens remontent à 2,8 milliards d’années.
On pense également au méthane, mais sa présence dans l’atmosphère terrestre ne peut pas être causée par des processus abiotiques. Il est produit pas des archées, des cellules qui sont dépourvues de noyau comme les bactéries : ce sont des procaryotes. Ces organismes existent depuis au moins 3,5 milliards d’années. Les archées méthanogènes (productrices de méthane), qui ne peuvent pas vivre dans un milieu oxygéné, résident actuellement dans les sols anoxiques et les sédiments marins pauvres en sulfates. Il se peut que durant l’Archéen, quand l’oxygène était encore rare ou inexistant à la surface de la Terre, ces procaryotes aient peuplé les océans et aient pourvu l’atmosphère d’une quantité suffisante de méthane pour engendrer un puissant effet de serre. Le CO₂ aurait de toute façon été le gaz le plus abondant au tout début de l’histoire de la Terre, puis il aurait été progressivement remplacé par le méthane.
Mais comment vérifier cette hypothèse, sachant qu’il n’existe aucune trace directe de ce gaz avant le Pléistocène, c’est-à-dire il y a plus de 2,58 millions d’années ? Sur l’île de Sulawesi (ou Célèbes) en Indonésie, le lac Matano atteint 590 mètres de profondeur, pour 28 km de long et 8 km de large. Son altitude est de seulement 382 mètres, si bien que les parties les plus profondes se situent sous le niveau de la mer. Il repose sur une ophiolite, c’est-à-dire une plaque océanique exposée à l’air libre, et doit son existence à une faille décrochante dite de Matano. Les roches rencontrées sont des variétés de péridotites : celles du manteau terrestre, qui forment la base des plaques lithosphériques. Leur érosion sous un climat tropical humide les transforme en une latérite nickélifère (comme en Nouvelle-Calédonie) comprenant jusqu’à 60 % d’oxydes de fer. En conséquence, les eaux du lac Matano, à partir de 100 mètres de profondeur, sont très riches en ions ferreux. Ils peuvent y persister grâce à l’absence d’oxygène – sans quoi ils seraient oxydés en ions ferriques, non solubles. Ce gaz est présent en surface, dissous dans l’eau, mais le manque de phosphore limite la production biologique. À 100 mètres de profondeur, des algues vertes effectuent de la photosynthèse sans produire d’oxygène. Leur métabolisme repose probablement sur l’oxydation des ions ferreux. Lorsqu’elle est entraînée vers le fond, la matière organique est dégradée par des archées méthanogènes, qui libèrent des quantités égales de dioxyde de carbone et de méthane. Le second gaz s’accumule dans les profondeurs et nourrit des organismes méthanotrophes (consommateurs de méthane).
Ce lac donne sans doute une bonne idée de ce qu’étaient les mers et les océans de l’Archéen et du début du Protérozoïque. On sait qu’ils étaient très riches en ions ferreux parce que lorsqu’ils ont été superficiellement oxygénés, au début du Protérozoïque, d’épaisses couches d’oxydes de fer se sont déposées sur le fond. On les appelle les formations ferrifères rubanées. De plus, les eaux du lac Matano sont pauvres en ions sulfate SO₄²⁻, comme devaient l’être celle des mers archéennes.
Deux chercheurs de l’université Harvard, Thomas Laakso et Daniel Schrag, viennent de publier une estimation du taux de méthane dans l’atmosphère précambrienne en se basant sur l’étude du lac Matano. Ils savaient déjà que la production de méthane n’est pas très efficace : seulement 10 % de la matière organique exportée (entraînée vers le fond) est dégradée par la méthanogenèse. Il n’existe pourtant pas d’autre voie de reminéralisation du carbone, c’est-à-dire de transformation du carbone organique en carbone inorganique. Les chercheurs en ont déduit que durant l’Archéen, la concentration de méthane dans l’atmosphère n’a jamais dépassé 100 ppmv, quand l’oxygène était totalement absent. Mais on sait qu’il a existé des « oasis » d’oxygène, puisque la photosynthèse oxygénique est apparue dès l’Archéen. Si le taux d’oxygène à l’état d’équilibre était supérieur à 10 milliardième du niveau actuel, le taux de méthane n’a pas pu dépasser 1 ppmv. Ce plafond a subsisté durant tout le Protérozoïque.
Ainsi, le méthane ne peut pas résoudre le paradoxe du Soleil froid. Il est possible de faire appel à quelques études récentes, comme celle de Colin Goldblatt et ses collaborateurs, publié en 2009. Ils ont démontré qu’un taux plus élevé de diazote N₂ dans l’atmosphère pouvait accroître l’effet du dioxyde de carbone et du méthane. Un doublement du taux entraînerait une hausse des températures globales de 4,4 °C. Les roches de la croûte terrestre que la subduction a enfouies dans le manteau ont gardé une trace de ce taux élevé d’azote : des ions nitrate NH₄⁺ se sont substitués aux ions potassium K⁺ naturellement présents. L’effet de serre radiatif est dû à l’absorption des infrarouges que la surface de la Terre émet par les molécules présentes dans l’air, sauf celles de diazote et de dioxygène et celles comprenant un seul atome. Une augmentation du taux de diazote élargit les raies d’absorption du dioxyde de carbone et du méthane.
Selon Robin Wordsworth et Raymond Pierrehumbert, qui ont publié leurs résultats en 2013, les collisions entre les molécules de diazote et de dihydrogène ont provoqué une absorption d’infrarouges. Il faut supposer une concentration de diazote deux à trois fois supérieure à l’actuelle et un taux de CO₂ entre 2 à 25 fois celui d’aujourd’hui.
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Thomas A. Laakso, Daniel Schrag, Methane in the Precambrian atmosphere, Earth and Planetary Science Letters 522, 48-54, 2019.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X19303619
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