La Terre hadéenne : effet de serre extrême et océan de magma

À une époque malheureusement difficile à dater, mais postérieure de quelques dizaines de millions d’années à la naissance du Système solaire, un embryon de planète de la taille de Mars a heurté la proto-Terre. On peut dire que la Terre est partiellement née de ce cataclysme. Les noyaux métalliques des deux astres, qui existaient déjà lors de la collision, ont fusionné. La Terre a commencé par être une planète incandescente, recouverte d’un océan de magma et d’une atmosphère de silicates vaporisés (dont beaucoup d’oxygène), puis ces gaz se sont condensés et l’océan s’est progressivement solidifié. Quand on parle de l’âge de ce dernier, on doit le compter à partir de l’impact et non à partir de la naissance du Système solaire il y a 4,57 milliards d’années.

Alors que la condensation des silicates vaporisés s’est effectuée en quelques millénaires, peut-être même en un seul millier d’années, l’océan de magma a été beaucoup plus lent à se refroidir et à se solidifier. Si la température de surface était de 1 700 °C, l’atmosphère comprenait, par ordre d’importance, du monoxyde de carbone CO, du dioxyde de carbone CO₂, de la vapeur d’eau et du dihydrogène. Il se peut que des éléments modérément volatils aient subsisté dans l’atmosphère : du cadmium, du soufre, du sodium, du zinc, du chlore ou du potassium. Le CO₂, peu soluble dans le magma, exerçait une pression partielle sans doute comprise entre 40 et 210 bars, à comparer avec les 92 bars de pression que ce gaz exerce actuellement sur Vénus. Si toute l’eau actuellement présente à la surface de la Terre était à l’état de vapeur dans l’atmosphère, elle aurait pu exercer une pression de 270 bars. En ajoutant l’eau contenue dans le manteau, la pression pourrait monter jusqu’à 500 bars. Quand la température de surface a baissé jusqu’à 1 200 °C, les deux premiers gaz étaient la vapeur d’eau et le CO₂.

Des vagues géantes de magma à 1 700 °C

Il est tout à fait possible d’imaginer ce qu’était l’océan de magma. Sa température devait atteindre les 4 000 °C en profondeur. Il était ultramafique, c’est-à-dire pauvre en silice SiO₂ (moins de 45 % en masse), ce qui lui permettait d’être fluide. Sa viscosité était celle d’une huile moteur (0,1 poise), aussi bien en surface que dans les profondeurs, très inférieure à celle des magmas émis par les volcans actuels (au minimum 100 poises). Cet océan était tout sauf calme. Il devait être agité de vigoureux mouvements de convection évacuant une énorme quantité de chaleur. La vitesse du magma pouvait être de 10 mètres par seconde, mouvements sans doute perturbés par la force de Coriolis due à la rotation de la Terre, qui était peut-être quatre fois plus rapide que maintenant.

Au début de son histoire, la Terre était assez simple à représenter : c’était une boule brillante.

L’océan était certainement balayé par des vents extrêmement puissants, à cause de la vitesse de rotation très élevée de la Terre. Comme l’atmosphère était très dense, elle agissait avec la même force qu’un liquide. On imagine que sa surface incandescente était agitée de vagues gigantesques. Si la Terre était restée dans cet état, cette époque aurait mérité le nom qu’elle a reçu : l’Hadéen, du nom du dieu grec des enfers, Hadès. Mais la surface s’est solidifiée au bout de quelques millions d’années, alors que cet éon a duré 570 millions d’années. La croûte a certes été le théâtre d’un intense volcanisme, mais elle a été recouverte par de grandes étendues d’eau liquide et il est tout à fait possible qu’une glaciation globale se soit produite.

La Terre s’est refroidie en émettant des rayonnements infrarouges et de la lumière vers l’espace. C’était un rayonnement thermique, le même que l’on obtient en chauffant une barre de fer au rouge. En l’absence de gaz à effet de serre, d’après la loi de Stefan, le flux d’énergie dépend de la puissance 4 de la température de surface. Ainsi, si la surface de l’océan de magma est à 1 700 °C, elle rayonne 860 000 W/m² (watts par mètre carré). Autrement dit, mille mètres carrés de magma dégagent 860 MW (mégawatts) de rayonnement, soit la puissance d’un petit réacteur nucléaire !

En réalité, la Terre ne perdait pas autant d’énergie car ce rayonnement était en grande partie absorbé par les gaz à effet de serre, essentiellement par la vapeur d’eau, et renvoyé vers la surface. Le flux thermique sortant, émis au « sommet de l’atmosphère » et s’échappant dans l’espace, était donc très inférieur au flux thermique émis par l’océan de magma. La vapeur d’eau aidait ainsi la Terre à maintenir sa température de surface élevée. Elle était comparable à une couverture posée sur la Terre.

Quand la surface de la Terre est devenue moins chaude, l’énorme quantité de vapeur d’eau de son atmosphère a commencé à se condenser en une couche nuageuse en plus en plus épaisse, pendant que la température de surface se stabilisait autour de 1 700 °C. L’océan de magma était dissimulé par ces nuages et la Terre ressemblait à Vénus.

L’enfer vénusien

Pour illustrer ceci, le mieux est de se tourner vers Vénus, une planète semblable à la nôtre, mais dont l’atmosphère très dense, 92 fois plus massive que celle de la Terre, est composée à 96 % de CO₂. L’effet de serre y est très fort. Le rayonnement solaire, si l’on considère qu’il est réparti sur toute sa surface, a une puissance de 656 W/m² (contre 340 W/m² pour la Terre actuelle), mais 75 % sont réfléchis par les nuages, qui recouvrent entièrement Vénus. On dit que Vénus a un albédo de 0,75. L’atmosphère moyenne, comprenant la couche de nuages, absorbe 135 W/m². Par conséquent, seuls 80 W/m² arrivent à franchir la barrière des nuages. Au sol, il n’arrive que 24 W/m². Le ciel orangé de Vénus est toujours sombre ! Ce n’est certainement pas ce rayonnement qui chauffe la surface à 462 °C. Sur la Terre, d’après son bilan radiatif actuel, le flux solaire absorbé par la surface vaut 160 W/m² et la température moyenne de surface n’est que de 15 °C.

Bilan radiatif de Vénus — Le bilan radiatif de Vénus d’après P.L. Read *et al*. 2015. Le rayonnement solaire entrant, indiqué en bleu, est constitué de lumière et d’infrarouges (*shortwave*). Moyenné sur toute la planète, le flux est de 656 W/m². L’atmosphère (surtout les nuages) et la surface renvoient 496 W/m² dans l’espace et absorbent 160 W/m². Chauffée à 462 °C, la surface émet des infrarouges (*longwave flux*). Le pic de rayonnement est à 3,9 micromètres, dans l’infrarouge moyen. La puissance émise, égale à 17 154 W/m² est presque totalement absorbée par l’atmosphère et renvoyée vers le sol. Une énorme quantité d’énergie est ainsi piégée.

L’explication est que la surface de Vénus, chauffée à 462 °C, émet 17 154 W/m² de rayonnement infrarouge et qu’il est presque entièrement absorbé par l’atmosphère. Elle ne laisse passer que 160 W/m² (flux thermique sortant, appelé outgoing longwave radiation en anglais) et renvoie 17 132 W/m² vers la surface. Sur Vénus, on est beaucoup plus chauffé par l’atmosphère que par le Soleil. L’effet de serre, différence entre la puissance émise par le sol et celle que l’atmosphère laisser passer, vaut 17 154 – 160 = 16 994 W/m². On peut remarquer que Vénus est en équilibre radiatif : le flux thermique sortant est égal au flux solaire absorbé, puisqu’ils valent tous les deux 160 W/m². La température moyenne de surface ne varie donc pas. Si les 17 154 W/m² de rayonnement thermique étaient libres de partir dans l’espace, la surface de Vénus se refroidirait très vite, parce que son équilibre radiatif serait rompu : le flux sortant deviendrait très supérieur au flux absorbé. La température moyenne au sol tomberait à – 47 °C. Un nouvel équilibre radiatif s’établirait alors, mais avec beaucoup moins de chaleur dans l’atmosphère.

Relation entre la température de surface et le flux thermique sortant (infrarouges émis au sommet de l’atmosphère) si la surface de la Terre était chauffée jusqu’à 500 K, soit environ 227 °C, d’après Colin Goldblatt et Andrew Watson, 2012. Les températures sont données en kelvins. Pour obtenir des degrés Celsius, il faut retrancher 273,15 (ou 300 si l’on veut faire des arrondis). A cause de l’effet de serre exercé par la vapeur d’eau, le flux sortant tend de manière asymptotique vers les 310 W/m², alors que s’il n’y avait pas de gaz à effet de serre, il serait égal au flux thermique de la surface et augmenterait de manière indéfinie (droite rouge). Noter l’existence d’une autre limite en vert, dite de Komabayashi-Ingersoll, due à la présence de ces gaz. Les domaines rouge et vert sont inaccessibles. Les courbes 1 à 3 correspondent à une concentration croissante en CO₂. L’état actuel de la Terre est indiqué par un étoile : température de surface de 288 K (15 °C) et flux sortant de 240 W/m².

L’une des théories que les scientifiques ont élaborées pour expliquer que la Terre et Vénus soient si différentes en surface est l’emballement de l’effet de serre (runaway greenhouse en anglais). Sur Vénus, des océans ont pu exister il y a quelques milliards d’années parce que le Soleil était moins lumineux que maintenant. Le flux solaire absorbé et la température de surface étaient par conséquent inférieurs. L’augmentation de la luminosité du Soleil a augmenté le flux absorbé, et donc aussi le flux sortant pour que l’équilibre radiatif soit conservé. La hausse des températures de surface a cependant accru la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère, par évaporation des océans, jusqu’à un point où l’atmosphère en était totalement saturée. Sa partie basse, la troposphère, s’est mise à absorber tous les infrarouges émis par la surface. Le flux thermique sortant devait alors être émis par la troposphère supérieure, si bien qu’il est resté bloqué à 310 W/m² (limite de Simpson-Nakajima), indépendamment de la température de surface. L’équilibre radiatif a été rompu. Pour le restaurer, Vénus a dû convertir tous ses océans en vapeur d’eau. Par la suite, elle a été presque totalement détruite par le rayonnement solaire.

Vénus en infrarouge, vue par la sonde Akatsuki — Image de Vénus prise dans l’infrarouge par la sonde japonaise Akatsuki. L’image a été traitée par l’infographiste française Damia Bouic. Elle montre la face non éclairée de Vénus. La partie non turbulente est une région polaire.

Si la vapeur d’eau avait subsisté et si la température de surface avait augmenté au-delà de 1 100 °C, le rayonnement thermique de la surface se serait déplacé vers les infrarouges proches (longueurs d’onde de 0,78 à 3 µm). La vapeur d’eau étant moins absorbante autour de 4 µm, le flux sortant aurait pu augmenter et l’équilibre radiatif aurait été rétabli, mais avec une température de surface très supérieure.

Un rayonnement infrarouge de 310 W/m² est « froid ». C’est le rayonnement d’un corps noir (un absorbeur parfait) de température – 1,2 °C. L’explication est simple : il est émis par la troposphère supérieure, où il fait froid même si le sol de la planète est une fournaise. On peut faire la même remarque pour le flux sortant actuel de 160 W/m², qui est encore plus froid. Il correspond à une température de – 43 °C, proche de la température de la planète en l’absence d’effet de serre (température d’équilibre du corps noir, de – 47 °C). Vue de l’extérieur, Vénus est glaciale. La partie supérieure de ses nuages, située à 68 km d’altitude (contre moins de 10 km pour la Terre), a une température d’environ – 40 °C et serait constituée de cristaux de glace.

Un passé et un avenir infernaux

La Terre a aussi connu la limite de Simpson-Nakajima, mais dans le sens inverse, lors de son refroidissement. Elle est partie d’un état où toute son eau était dissoute dans le magma ou à l’état de vapeur dans l’atmosphère. Il n’existait nulle part d’eau liquide. Au début, il faisait beaucoup trop chaud pour que des nuages puissent se condenser, si bien que la Terre apparaissait depuis l’espace comme une boule brillante.

Refroidissement de la Terre par rayonnement thermique d’après Kevin Zahnle et al., 2007. Chaque courbe correspond à une pression partielle de vapeur d’eau. Sur l’océan de magma, elle était certainement comprise entre 50 et 500 bars. En abscisse, la somme du flux solaire absorbé et du flux géothermique (flux de chaleur issu des profondeurs de la Terre) est indiquée. Si la Terre était en équilibre radiatif, cette somme était égale au flux thermique sortant. Après l’impact géant, la température de surface et le flux sortant ont simultanément baissé, Quand les premiers nuages se sont condensés, le flux sortant s’est stabilité à environ 310 W/m² (*runaway greenhouse limit*).

S’il y avait 500 bars de pression partielle de vapeur d’eau, les premiers nuages se sont condensés quand la température de surface est descendue sous les 1 500 °C (1800 K). S’il y avait moins de 20 bars de vapeur d’eau, les nuages ne sont pas apparus avant la solidification de l’océan de magma, mais ce cas est peu probable. Dès lors que l’eau était présente dans les deux états gazeux et liquide, le flux thermique sortant s’est stabilisé à une valeur proche de 310 W/m², limitant de manière drastique le refroidissement de la Terre. La température de surface a cessé de chuter pendant un peu moins d’un million d’années, c’est pourquoi l’océan de magma a pu subsister pendant au moins 1,4 million d’années. Il était dans un état stable.

Comme l’indique le graphique ci-dessus, la surface de la Terre pouvait rester liquide jusqu’à environ 1 200 °C (1 500 K). A cette température, le flux thermique de la surface est de 287 000 W/m². Comme seul un flux de 310 W/m² pouvait quitter l’atmosphère, l’effet de serre était beaucoup plus important que sur Vénus actuellement.

On ignore si la théorie de l’emballement de l’effet de serre sur Vénus est exacte. Il se peut que la vapeur d’eau ne se soit jamais condensée sur cette planète et qu’elle ait été dissociée à l’époque où elle était recouverte par un océan de magma. Il se peut aussi que de l’eau liquide ait coulé sur Vénus et qu’un événement géologique cataclysmique l’ait complètement vaporisée. Mais on est sûr que la Terre a connu cet effet de serre extrême durant sa jeunesse et qu’elle le connaîtra de nouveau dans un lointain avenir, car la luminosité du Soleil continue d’augmenter. L’effet de serre s’emballera, toute l’eau liquide à la surface s’évaporera et la Terre quittera la zone habitable du Système solaire.

Altitude à laquelle l’épaisseur optique est égale à 1 et spectre du rayonnement thermique sortant en fonction de la longueur d’onde et de la température de surface, d’après Goldblatt *et al*. 2013. L’épaisseur optique est une mesure du pouvoir d’absorption d’un gaz. Les graphiques de gauche disent aussi que l’atmosphère de la Terre se charge en vapeur d’eau à mesure que sa température de surface augmente et que ses océans s’évaporent. Ils donnent la température de l’atmosphère en fonction de l’altitude. Elle n’absorbe pas les ultraviolets (longueurs d’onde inférieures à 0,38 µm), mais attention, les auteurs ont supposé qu’il n’y a pas de nuages.

Des spécialistes de la physique de l’atmosphère ont abordé le problème pour déterminer l’avenir de la Terre, mais ce qu’ils ont dit est transposable au passé. Dans une étude publiée en 2013, Colin Goldblatt, Tyler Robinson, Kevin Zahnle et David Crisp ont revu la valeur de la limite de Simpson-Nakajima. D’après eux, l’emballement de l’effet de serre aura lieu dans 1,5 milliard d’années si la vapeur d’eau sera le seul gaz à effet de serre, plus tôt s’il y en aura d’autres. La date de la fin du monde a ainsi été avancée.

Dans les graphiques ci-dessus, la température la plus haute est d’environ 1 500 °C. La basse atmosphère est alors aussi chaude et il faut monter à plus de 350 km d’altitude pour trouver une température clémente ! Pourtant, cette atmosphère n’est constituée que de vapeur d’eau. Pour avoir une idée de ce qu’était la Terre hadéenne, il faut ajouter le CO₂. Une telle atmosphère atténue beaucoup la lumière du Soleil, à cause de la vapeur d’eau, qui l’absorbe du côté rouge, et de la diffusion de Rayleigh, qui la dévie du côté bleu – c’est elle qui rend le ciel sans nuages bleu. Ces phénomènes sont très amplifiés dans une atmosphère épaisse.

Les graphiques de droite montrent le spectre du rayonnement thermique sortant, c’est-à-dire la puissance rayonnée en fonction de la longueur d’onde. L’aire de ces courbes est le flux thermique sortant. Les quatre courbes du bas sont identiques, en dépit de l’augmentation de la température de surface : le flux sortant atteint la limite de Simpson-Nakajima, soit 310 W/m². En fait, la valeur calculée par les auteurs est de 282 W/m², mais ils ont supposé qu’il n’y avait pas de nuages (ayant une action refroidissante parce qu’ils réfléchissent la lumière du Soleil et réchauffante parce qu’ils augmentent l’effet de serre), c’est pourquoi la valeur de 310 W/m² a été conservée ici. L’aire de ces courbes vaut donc 310 W/m². À environ 1 500 °C (1 800 K), la vapeur d’eau entrouvre une « fenêtre » dans les infrarouges proches, autour de 4 µm. L’excès de chaleur peut ainsi être évacué.

Dans les graphiques de droite, on voit aussi des courbes en traits fins qui montent jusqu’à sortir presque complètement du cadre. Ce sont les spectres du rayonnement thermique de la surface, considéré comme proche du rayonnement du corps noir (loi de Planck). La différence entre l’aire des courbes est l’effet de serre. Il est faible pour une température de surface de 300 K (exactement 26,85 °C). Il augmente très vite à mesure que la Terre est chauffée.

Le rôle des marées

Contrairement à Vénus durant l’emballement de l’effet de serre, le rayonnement solaire n’était pas la seule source de chaleur pour la Terre. On estime que le flux solaire absorbé était compris entre 120 à 170 W/m² (à comparer avec la valeur actuelle de 160 W/m²), selon la valeur de l’albédo de notre planète. En plus, la surface recevait un flux de chaleur géothermique, venant des profondeurs de la Terre. On sait qu’il était initialement supérieur à 140 W/m², ce qui était beaucoup. Aujourd’hui, il n’est qu’en moyenne de 0,09 W/m², dont une moitié dû au déclin d’élément radioactifs.

En additionnant le flux solaire et le flux géothermique, on obtient approximativement 310 W/m², suffisamment pour maintenir l’océan de magma. C’était les forces de marées exercées par la Lune sur la Terre qui chauffaient les profondeurs de la Terre, particulièrement à la base du manteau. La Lune était très proche de la Terre, si bien que les forces de marées étaient beaucoup plus intenses que maintenant. On sait que sa surface s’élève et s’abaisse deux fois par jour du côté de la Lune et du côté opposé – en réalité avec un décalage de 3° à cause de la rotation de la Terre. Le frottement des mers sur les fonds marins entraîne une transformation de l’énergie mécanique en chaleur, ce qui explique que la Terre tourne de moins en moins vite sur elle-même. Le moment angulaire de la Terre est transféré vers la Lune, qui s’éloigne de la Terre.

Actuellement, la Lune est à 384 400 km du centre de la Terre. Elle s’en s’éloigne à une vitesse moyenne de 3,78 cm par an et la journée raccourcit de 2,3 millisecondes par siècle. Il y a 2,45 milliards d’années, la Lune était entre 10 et 20 % plus proche de la Terre et une journée durait environ 17 heures. Si la Lune est née près de la limite de Roche, elle se trouvait à 18 500 km du centre de la Terre et une journée terrestre ne durait que 5 heures. Il s’agit de la limite en deçà de laquelle un satellite naturel d’une centaine de kilomètres de diamètre est disloqué par les forces de marées que la Terre exerce sur lui.

La dissipation d’énergie était importante après l’impact géant. Dans l’océan de magma, c’était la viscosité du liquide qui transformait l’énergie mécanique en chaleur. On devine cependant que l’effet de serre limitait la perte d’énergie. Sans lui, la Lune aurait pu s’éloigner très rapidement : la distance Terre-Lune aurait pu dépasser les 300 000 km, et la journée terrestre être allongée jusqu’à 16 heures, après seulement quelques millions ou dizaines de millions d’années. Cela a pris un milliard d’années à cause des gaz à effet de serre. À la limite de Simpson-Nakajima, l’évolution tidale (relative aux marées) du système Terre-Lune peut être ralentie plusieurs milliers de fois par une atmosphère de vapeur d’eau. L’histoire de l’orbite lunaire donne une limite inférieure à la durée de vie de l’océan de magma et montre que la proto-Terre avait déjà une quantité substantielle d’eau.

Quand le flux géothermique est passé sous les 140 W/m², l’océan de magma a commencé à se solidifier. Il l’a fait par le bas en expulsant de l’eau, car si le magma peut contenir une quantité appréciable d’eau, ce n’est pas le cas quand il s’est transformé en roche. Alors que la pression partielle de vapeur d’eau avait lentement chuté, elle s’est mise à augmenter presque jusqu’à son niveau initial. Cependant, le flux thermique sortant est resté à 310 W/m². La baisse de la température de surface jusqu’à 1 200 °C a permis la formation de la première croûte terrestre, mais une couche de magma a dû subsister dessous. Les premières gouttes de pluie sont tombées quand la température de la croûte est passée sous les 300 °C et la Terre a alors pu se couvrir de grandes étendues d’eau. La pression atmosphérique lui permettait de rester liquide bien au-dessus de 100 °C.

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Kevin Zahnle et al., Emergence of a Habitable Planet, Space Science Reviews 129, 21 July 2007.

P.L. Read et al., Global energy budgets and ‘Trenberth diagrams’ for the climates of terrestrial and gas giant planets, Quarterly Journal of the Royal Meteorogical Society,14 November 2015. 13 September 2012.

Colin Goldblatt et al., Low simulated radiation limit for runaway greenhouse climates, Nature Geoscience, 28 July 2013.

Colin Goldblatt & Andrew J. Watson, The runaway greenhouse: implications for future climate change, geoengineering and planetary atmospheres, Philosophical Transactions of the Royal Society A, 14 November 2015.