Vers la définition de la première atmosphère terrestre

Le carbone l’hydrogène, l’azote et le soufre composent et conditionnent le vivant sur Terre. De plus, pour l'ensemble des planètes du Système solaire et les exoplanètes, ils définissent les conditions de surface en contrôlant la masse de l'atmosphère, le climat, la présence et la nature chimique des eaux. Quel mécanisme contrôle leur abondance et celle-ci a-t-elle pu varier aux cours des temps géologiques ? Ces constituants sont dits atmophiles en raison de leur forte affinité avec l'atmosphère. Pourtant, on les trouve principalement à l'intérieur de la Terre et plus précisément dans le manteau et le noyau.

Il y a 4,5-4,4 milliards d’années, durant l’Hadéen, la toute première atmosphère de la Terre s’est formée. Elle était dépourvue d’oxygène. À cette époque, la Terre était recouverte d’un océan de magma et les températures de surface dépassaient les 1600 °C ! Afin de définir la chimie de l’atmosphère hadéenne, des chercheurs ont mis au point un modèle de dégazage de l’océan de magma. Leur étude montre que cet océan produisait une atmosphère dite magmatique, à l'image des volcans qui émettent aujourd’hui des vapeurs chargées de divers éléments chimiques. Techniquement parlant, les chercheurs ont établi une relation entre la masse et la composition de cette première atmosphère, et l’état d’oxydation de l’intérieur de la Terre. Les planètes ayant des états d'oxydation interne réduits ont une atmosphère peu massive et composée de dihydrogène (H₂) et de monoxyde de carbone (CO). À l'opposé, les planètes oxydées produisent des atmosphères sèches et dominées par le dioxyde de carbone (CO₂), le dioxyde de soufre (SO₂) et le diazote (N₂). D’après les modèles, l'ensemble des planètes telluriques, y compris la Terre, sont passées par le stade océan de magma entre ces deux états d’oxydation. Cette étude montre que, pour une grande partie des conditions simulées, la quantité d’azote et de carbone dégazée par l’océan de magma il y a 4,5 milliards d’années correspond à la quantité présente à la surface du globe aujourd’hui. Ce résultat est surprenant car, depuis l’Hadéen, le volcanisme a émis du gaz carbonique dans l'atmosphère et la subduction a réintroduit des masses considérables de la surface vers l'intérieur de notre planète. Il est possible que ces effets se compensent par un mécanisme qui reste à identifier.

Cette règle semble, a priori, s’appliquer à Vénus qui possède, curieusement, les mêmes quantités d’azote et de carbone dans son atmosphère que la Terre.