H20 mon Amour: d’où vient l’eau de notre terre ?

Où la recherche d’une réponse à une question séculaire permet
de mettre en évidence deux attitudes opposées sur la façon
d’envisager
le statut de notre planète.

D'où vient l'eau de la Terre? Cette question, loin d'être neuve, se pare aujourd'hui d'une importance nouvelle, car elle est indirectement reliée au problème plus vaste de la vie dans l'univers. En effet, toutes les formes de vies actives que nous connaissons sont peu ou prou dépendantes de l'eau. Ce liquide aux propriétés physico-chimiques extraordinaires permet la réalisation, à une vitesse convenable, de toutes les réactions chimiques à la base du vivant. On peut donc légitimement se demander si l'abondance de l'eau terrestre résulte d'un phénomène exceptionnel ou si, au contraire, elle provient de processus largement répandus au niveau des différentes planètes peuplant notre galaxie.

Jusqu’aux années 60, pour la plupart des géologues, la cause était entendue: l’eau provenait uniquement des entrailles de notre planète. Lors de sa formation, les éléments lourds ont percolé vers le centre de celle ci pour constituer un noyau métallique alors que les éléments les plus légers, comme l’eau contenue dans les roches, ont été rejetés vers l’extérieur, formant ainsi une atmosphère primitive (H2O, CO2, et quelques traces d’azote principalement). L’émission de vapeur d’eau par les éruptions volcaniques actuelles donne une idée du déroulement, à petite échelle, de ce processus qui peut également être observé au niveau des “fumeurs noirs”, ces sources chaudes sous marines proches des dorsales océaniques, qui constituent un pont entre l’eau mantellique et celle des océans. A ce niveau, des eaux noirâtres riches en fer et manganèse permettent la formation de concrétions où prolifèrent des formes de vies pour le moins exotiques, tirant leur énergie de composés minéraux.

Une des conséquences de l’opinion dominante était que l’eau de la Terre provenait d’une zone bien définie autour du soleil, dans une région où la composition du “matériau primitif” était assez particulière, et qu’elle devait être rare à grande distance de cette dernière. Nous nous retrouvions donc sur la seule planète riche en eau, dans une “oasis dans l’espace” pour reprendre les mots de J.Y. Cousteau.
A l’appui de cette thèse, toujours présente aujourd’hui dans les livres scolaires, l’étude des météorites les plus communes, les chondrites carbonées, a partir desquelles la planète s’est formée: fondues, ces roches dégagent de la vapeur d’eau ainsi que du CO2. On se retrouvait ainsi avec un modèle cohérent, qui donnait à l’eau de la Terre une origine purement endogène. Ce point de vue “terro-terrien” se mua bien vite en un dogme, même si de nouveaux faits allaient conduire à son réexamen critique…

Que d’eau! Que d’eau!
Cette vision d’une origine purement terrestre de l’eau fut mise à mal par le développement de l’astrophysique et de l’exploration spatiale. De nouveaux éléments apparurent, mettant à mal ce modèle pourtant toujours enseigné:
L’étude de la formation du système solaire et celle des étoiles jeunes montra que ces dernières, au début de leur existence, sont à l’origine d’une importante pression de radiation qui “souffle” loin d’elles les éléments volatils comme… l’eau. Cette dernière se trouvait alors rejetée loin dans le système solaire, et n’était plus disponible pour former les premiers embryons de planètes telluriques.
De l’eau fut pourtant découverte, sous des formes diverses, sur à peu près tous les corps célestes situés plus loin du soleil que Mercure. Plus on s’éloignait du soleil, et plus cette eau devenait abondante. Aux confins du système solaire, de nombreux corps gelés constituant la ceinture de Kuyper où, plus loin encore, les innombrables noyaux cométaires du nuage de Oort, se révélèrent essentiellement constitués d’un amalgame de glaces et de poussières.
L’étude plus détaillée des météorites montra que si quelques chondrites (les “ivuna”) contenait bien une quantité d’eau appréciable, tel n’était peut être pas le cas de la majorité de celles qui ont du s’agglomérer pour former notre planète (1) qui sont plutôt pauvres en éléments volatils.
• La détermination de l’origine de la Lune, grâce aux échantillons ramenés par les missions Apollo et les sondes Luna, montra que notre satellite avait été formé à la suite de l’impact d’un corps de la taille de Mars avec la jeune Terre. Ors, cette collision ne laisse pas place au doute: elle a été si puissante que l’atmosphère de la planète entière en a été soufflée! Il fallait donc absolument qu’elle ait pu par la suite se reconstituer… alors même que les roches terrestres, solidifiées, ne pouvait plus être à l’origine d’un dégazage massif !

Outre ces difficultés, il restait aussi a expliquer les différences observées entre les planètes telluriques, pourtant formées à partir d’une “pâte” similaire: au début de leur histoire, Vénus ou Mars devaient contenir une quantité d’eau comparable à celle présente sur Terre. Il en était de même pour les corps massifs qui ont servi d’embryon aux planètes géantes, situées plus loin dans le système solaire. Seule La destinée de cette eau primordiale allait cependant différer selon l’orbite suivie par les jeunes planètes

Bien loin d’être une denrée rare, l’eau se révélait donc abondante dans le système solaire. Pire encore, les radio-astronome découvrirent la “signature” radio de cette molécule dans d’immenses nuages moléculaires répartis dans la voie lactée: la molécule H2O se révélait bien plus commune que l’on ne le pensait, son omniprésence dans la galaxie lui assurant de figurer en bonne place lors de la formation de n’importe quel système planétaire. Restait à prendre à compte les faits nouveaux que nous avons recensés. Autour de cette question, deux écoles allaient se créer et s’entredéchirer: aux tenants d’une origine endogène, purement géologique, de l’eau de la Terre, allait s’opposer ceux pour qui son origine ne pouvait être qu’extraterrestre…

Dégazage versus bombardement
Conjointement à la découverte d’eau dans le système solaire, l’étude des surfaces planétaires et satellitaires démontra rapidement que les débuts du système solaire avait constitué une époque particulièrement violente ou des collisions fréquentes et titanesques se produisirent entre les jeunes planètes et d’autres corps célestes, comme les astéroïdes et la comètes. Ces bombardements prenaient leur origine dans la formation des planètes lointaines, Uranus et Neptune, qui perturbèrent les orbites d’un grand nombre de petits corps circulants aux confins du système solaire. La surface grêlée de cratères de notre satellite témoigne de cette période apocalyptique de notre histoire. Notre planète, bien plus massive que la Lune, fut aussi plus intensivement “bombardée ” encore (25 fois plus!), mais les traces de ces collisions furent effacées par la suite par le jeu des mouvements de l’écorce terrestre et l’érosion de sa surface. Ces bombardements n’auraient ils pas pu apporter à la surface de la Terre, mais aussi des autres planètes, de grandes quantités d’eau?
Nombreux furent alors les astronomes qui étudièrent une possible origine exogène de l’eau terrestre. Cette soudaine irruption des astrophysiciens dans le pré carré des géologues de terrain eu souvent pour effet de radicaliser les positions de ces derniers, qui se cramponnèrent derechef au modèle, pourtant de plus en plus improbable, du dégazage massif. Pourtant, notre eau aurait pu provenir des impacts de météorites fortement hydratées ou de comètes. Les comètes étant les corps célestes les plus riches en glace, leur apport aurait du se révéler majoritaire. Mais comment vérifier l’origine de l’eau? Une fois de plus, la physique et ses techniques de mesure allait venir au secours des théoriciens en mal d’explications.

Une indication de l’origine de l’eau nous est donnée par l’étude du rapport isotopique D/H de l’eau terrestre. Un isotope est un atome comportant un ou plusieurs neutrons en plus ou en moins dans son noyau. Le plus célèbre est le (fameux) carbone 14 (2 neutrons supplémentaires), qui possède un petit cousin, le carbone 13, alors que la majorité écrasante des atomes de C bien sous tous rapports sont des C12. Le point important est que les neutrons excédentaires alourdissent le noyau atomique, qui ne participe pas tout à fait aux réactions chimiques de la même façon que son cousin plus léger.
La molécule d’eau comprend 2 atomes d’hydrogène pour un d’oxygène. C’est l’hydrogène dont on analyse la composition: le H des origines ne contient pas de neutrons dans son noyau, alors qu’un de ses isotopes, le deutérium (D) en contient un. La mesure de ce rapport D/H au niveau de 3 comètes (Halley, Hale-Bopp et Hyakutake) montre que ce rapport est 2 fois plus élevé pour les comètes que pour l’eau terrestre (4). Ors, aucun mécanisme connu ne permet de diminuer ce rapport. L’eau terrestre n’est donc pas apparemment entièrement d’origine cométaire, mais dans quelles proportions? Le mieux que l’on puisse faire pour le moment est de fixer une limite de 30% environ pour l’eau d’origine cométaire, ce qui est déjà loin d’être négligeable. En effet, les mesures effectuées ne permettent pas de conclure définitivement: elles ne concernent que 3 comètes à longue période, orbitant la plupart du temps loin du soleil. On ignore encore la valeur de ce rapport pour les comètes à courte période, à l’histoire différente, et qui ont probablement constitué le gros des bataillons qui se sont abattus sur les planètes au début de leur histoire tourmentée. Encore une fois, le dialogue entre théoriciens et expérimentateurs gagnerait à être amélioré, car comme le déclarait l’astrophysicien F. Zwicky, obstiné découvreur des supernova: “Si seulement les théoriciens savaient ce qui est derrière une mesure expérimentale et si les observateurs savaient ce qui est derrière un calcul théorique, ils se prendraient mutuellement beaucoup moins au sérieux”.

Cependant, un autre indice de l’importance de l’eau cométaire nous est fourni par l’estimation du nombre de comètes ayant percuté la Terre: si l’on se base sur le taux de cratérisation de 33 bassins lunaires, relevé par C. Chyba, de l’université Cornell, on arrive à un minimum de 40% d’eau d’origine extraterrestre (5). Il est donc tout à fait plausible que les autres planètes du système solaire aient elles aussi reçu des quantité d’eau comparables. Si les comètes ont bel et bien été les “porteuses d’eau” du jeune système solaire, il reste cependant à expliquer la dissonance relevée au niveau du rapport D/H. De plus, l’étude des noyaux cométaires a révélé leur richesse en molécules complexes, inattendues à leur niveau. N’ont elles pas pu apporter d’autres éléments que l’eau? Dans leurs passages répétés près du soleil, les comètes émettent dans leur chevelure d’énormes quantités de poussières, formant des nuages périodiquement traversés par la Terre. Ces nuées poussiéreuses ont elles pu jouer, elles aussi, un rôle dans l’acquisition de l’eau terrestre? Pour le savoir, l’étude à distance ne suffit pas: il faut aller voir par nous même, c’est le sens de missions spatiales en cours.

Des plans sur les comètes
Depuis que le petite sonde Giotto est passée près du noyau de la comète de Halley en 1986, plusieurs missions se sont données pour but l’étude de ces astres errants. Une des difficultés à résoudre (et non des moindres!) est que l’orbite des comètes diffère considérablement de celle des planètes: plus elliptique, elle ne permet que de brèves rencontres, et mettre une sonde en orbite autour de corps si peu massifs, à la morphologie irrégulière et à la densité mal connue est extrêmement ardu.

La comeète 67 P/C-G, débusquée par la sonde Rosetta en 2015

Poussières de comètes
Résumons nous: nous nous trouvons coincés entre des roches terrestres trop pauvres en eau pour expliquer l’existence des océans et des comètes riches en eau mais qui ne sont apparemment pas à l’origine de nos océans. C’est alors qu’entre en jeu l’étude des micrométéorites issues des chevelures cométaires qui, continuellement, bombardent notre planète. Actuellement, chaque année voit 40000 tonnes de ces grains de sables d’outre espace tomber sur notre planète. Si ces poussières sont essentiellement d’origine cométaire, il en existe aussi provenant des astéroïdes ou des régions interplanétaires.
Recueillir sur Terre ces poussières nécessite de vastes étendues désertiques, éloignées des centres industriels, dans lesquelles la récolte peut être aisément distinguée des minéraux terrestres. L’antarctique semble tout désigné pour cela, et c’est dans cette contrée inhospitalière que l’équipe de l’astrophysicien M. Maurette a recueilli et analysé une grande quantité de ces micrométéorites, avec des surprises à la clef:

  • 90 % des micro-météorites sont constituées d’un matériau carboné riche en eau
  • le rapport isotopique D/H de l’eau constitutive de ces poussières est identique à celui des océans terrestres (une contamination d’origine endogène pouvant être écartée)
  • les rapports isotopiques d’autres éléments, comme le néon, correspondent à ceux observés sur Terre. Il en est de même pour le CO2 et l’azote.
    Il semble donc que l’eau de notre planète ait bien une origine essentiellement extra-terrestre: le calcul montre qu’à la suite de la formation de la Lune, le nombre de comètes, et partant le flux de micrométéorites, étaient plus de 100 millions de fois supérieur à ce qu’il est actuellement, déposant à la surface de notre planète l’équivalent d’une couche de 3 kilomètres d’épaisseur!

L’eau sous la glace
Bien après que notre planète se soit formée et que l’environnement y soit devenu un peu plus calme, la vie s’est rapidement développée… dans l’eau! Elle ne quittera cet élément que tardivement, il y a 420 millions d’années “seulement” (ce qui revient à dire que 90 % de l’histoire de la vie s’est déroulée dans les océans).
Reste t’il des témoins actuels de ces époques reculées, des “lacs fossiles” constituants des écosystèmes hors du temps? Il semble que oui. Sous la calotte glaciaire de l’antarctique, il existe 68 lacs isolés de l’atmosphère depuis des millions d’années, par des km de glace. Le plus étendu de ces lac (230 km de long sur 50 de large, 500 m de profondeur) se nomme Vostok, et a été découvert en 1996 grâce aux images satellitaires de Radarsat, ce qui l’a sauvé in extremis d’une contamination dévastatrice qui aurait été provoquée par les fluides utilisés pour forer dans la glace (8).


Ces eaux profondes sont totalement isolées de l’énergie solaire, de l’oxygène de l’air, soumises à d’énormes pressions, et devraient se révéler aussi pauvre en éléments nutritifs et aussi stériles que l’océan enfoui sous la croûte gelée d’Europe, un des gros satellites de Jupiter. Et pourtant… malgré que la surface du lac n’ai jamais été atteinte par forage (les chercheurs voulant être sur de disposer de techniques interdisant toute contamination par leurs instruments avant de réaliser ce prélèvement), des échantillons de glace ramenés de 150 m de la surface du lac ont révélé la présence d’une inattendue vie microbienne (9). Reliquat de bactéries prises au piège sous les glaces, et ayant trouvé le chemin de la survie, ou contaminations venues de la surface? Les travaux ultérieurs le diront, mais rien n’empêche, comme le mentionne C. Ellis-Evan, de la British Antarctic survey, l’existence d’une vie microbienne dans les anciens sédiments reposants au fond du lac… Des équipes de chercheurs viennent d’ailleurs de mettre en évidence l’existence de micro-organismes similaires (10), anaérobies, utilisant le méthane, au niveaux des dépôts sédimentaires de la mer noire. Le lac Vostok constitue même le terrain d’essai rêvé pour les robots foreurs qui partiront explorer l’océan qui devrait se trouver à plusieurs km sous la croûte gelée d’Europe, un satellite de Jupiter, dans le cadre du projet Europa explorer. Reste à mettre au point un protocole et des techniques permettant de prélever des échantillons sous plusieurs km de glace sans risque de contamination, ce qui risque de s’avérer difficile: le premier trou de forage soviétique, heureusement inachevé, reste rempli d’un mélange antigel à base de kérosène qu’il faudra tout d’abord évacuer tout en évitant le colmatage du canal percé dans la glace… Du travail en perspective pour les ingénieurs !

Les planètes bleues
Si la Terre est aujourd’hui la planète de l’eau liquide, il ne faut cependant pas croire qu’au cours de son histoire il en a toujours été ainsi: il y a 600 millions d’années, toute la surface terrestre s’est retrouvée congelée (11). Seul le fond des océans, échappant à la prise en glace grâce à l’énergie géothermique, a alors permis la survie des premières formes de vie… Notre planète devait alors ressembler à s’y méprendre à Europe, l’énigmatique satellite jovien. La planète bleue, à cette époque, n’était qu’un désert blanc, inhospitalier en apparence, mais riche de potentialités futures. L’histoire de notre planète nous indique donc que l’absence d’eau liquide visible n’est pas pour autant le signe d’une absence de vie. Cet enseignement devrait être médité par les doctes qui affirment que la terre est le nombril du cosmos, et refusent d’envisager toutes vie sous des ciels différents de notre azote bleuté…

Nous avons vu combien les conceptions ne faisant appel qu’à des matériaux endogènes se sont révélées insuffisantes à expliciter l’origine de l’eau terrestre. Il devient petit à petit évident que l’on ne peut plus décrire l’histoire de la Terre comme étant indépendante de celle du système solaire. Contrairement à ceux qui veulent restreindre leurs démarche explicatives à l’environnement strictement terrestre, contingentant ainsi leur réflexion à une échelle par trop limitée, la résolution des problèmes concernant l’histoire de notre planète ne peut s’effectuer que dans un cadre plus large englobant non seulement la planète mais aussi l’ensemble de la dynamique du système solaire: variations de l’orbite terrestre, collisions avec astéroïdes, comètes et micrométéorites, modifications de l’activité solaire et trajet de notre étoile dans la galaxie sont autant de facteurs qui entrent en ligne de compte lorsque l’on essaye de retranscrire l’histoire de notre planète, de son eau et des êtres vivants qui en sont issus. L’universalité de l’eau, première molécule de la vie, nous permet d’affirmer avec E. Deloule (12) que “ce constituant essentiel à la Vie doit vraisemblablement recouvrir la surface de nombreuses planètes dans la Galaxie.” Ainsi est tracé le sillon qui, de la comète à l’homme, intègre nos vies dans un cadre cosmique dont nous ne possédons qu’une imparfaite connaissance, nous impliquant dans un processus dont l’essence nous reste inintelligible.

R.Raynal
Dr de l’Université de Toulouse

Références bibliographiques
1 – Maurette M. L’origine cosmique de l’air et des océans. Pour La Science 291, 01/2002, 36-43
2 – Bullock M, Grinspoon D. Le climat variable de Vénus. Pour la science 259, 05/1999, 34-41
3 – Clark S. Acidic clouds of Venus could harbour life. New scientist, 26/09/ 2002
4 – Encrenaz T. – Atmosphères planétaires, origines et évolution. ed. CNRS, 2000, 54-55
5 – Bendjoya P. Collisions dans le système solaire, ed Belin, 1998
6 – http://sci.esa.int/home/rosetta/index.cfm
7 – http://stardust.jpl.nasa.gov/welcome/index.html
8 -Siegert M., Ellis-Evans J., Tranter M., Mayer C., Petit JR., Salamatin A., Priscu J. Physical, chemical and biological processes in Lake Vostok and other Antarctic subglacial lakes. Nature, V. 414, 12/2001, 603-609.
9 – Warwick V. Science, 10/12/ 2001
10 – Michaelis W, Seifert R, Nauhaus K, Treude T, Thiel V, Blumenberg M, Knittel K, Gieseke A, Peterknecht K, Pape T, Boetius A, Amann R, Jørgensen BB, Widdel F, Peckmann J, Pimenov NV, Gulin MB. Microbial Reefs in the Black Sea Fueled by Anaerobic Oxidation of Methane. Science 9/08/2002, 1013-1015
11 – Hoffman P., Schrag D. Quand la Terre était gelée. Pour la science 268, 02/2000, 30-37
12 – Deloule E & al. Geochim. Cosmochim. Acta 1998 62, 3367-3378

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