IV. La planète Terre. Biosphère et écosphère

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La Terre, à sa naissance. Origine du champ magnétique. Biosphère et écosphère. Conditions d'existence de la vie. Les conditions de la biogenèse.

1. Préhistorique

Il y a fort longtemps (4,6 milliards d’années) naissait le Soleil, immédiatement suivi (il y a 4,55 milliards d’années) des neuf planètes dont la Terre, gravitant à la périphérie de l’étoile naissante.

Pour se souvenir de leurs noms et de leur position par rapport au Soleil, il suffit de retenir cette phrase d’un auteur anonyme : Mon Vieux Théâtre M’a Joué Samedi Une Nouvelle Pièce. Soit, dans l’ordre d’éloignement du Soleil : Mercure, Venus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton.

1.1. Genèse de la terre

La vie n’est apparue sur Terre il y a 3,8 milliards d’années, mais il a fallu attendre longtemps pour que se produise la rencontre d’Adam et Ève dont les amours ont conduit à notre présence ici-bas. Entre temps, que s’est-il passé ?

D’abord, la Terre et les autres planètes ont été formée par l’agglomération de poussières et de blocs tournant autour du Soleil naissant. L’effondrement gravitationnel de ces corps s’est accompagné d’une libération d’énergie, d’où une température de surface de la Terre de l’ordre de 2 000 °C et une première structure composée de deux couches de péridotite. Pour mémoire, le peridot est un minéral constitutif des roches éruptives, formé de silicates de fer et de magnésium en proportions variables.

Une couronne sphérique de péridotite liquide (500 km d’épaisseur) entoure une autre couronne sphérique de péridotite solide (2 000 km d’épaisseur). Le fer fondu migre par percolation de la couche superficielle en fusion vers le centre.

1.2. Genèse d’un champ magnétique

À la manière d’un fruit, il se forme une graine, et un noyau externe liquide. Le couple (graine-noyau) va se comporter comme une dynamo. La graine serait un assemblage, sous de fortes pressions, de cristaux de fer, de nickel et d’un peu de soufre.

Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements du noyau métallique liquide.

Les lignes de champ s’apparentent à celles d’un gigantesque barreau aimanté classique, à 400 km du centre de la Terre (côté Pacifique), mais faisant par contre un angle de 11° avec l’axe des pôles, sachant que ces paramètres varient continuellement.

1.2.1. Mouvements du pôle Nord

Le numéro spécial de Science et Vie intitulé Spécial Terre, en 30 ans tout a changé (p. 32) donne des informations intéressantes : en 1973, le pôle Nord magnétique était localisé par 73° de latitude nord et 100° de longitude ouest (Arctique canadien). Trente ans plus tard, en 2013, il se trouve dans l’océan Arctique, par 85° de latitude nord et 139° de longitude ouest. Un déplacement de 12° vers le nord, ce qui le rapproche du pôle Nord géographique (donc à moins de 500 km).

Il faut cependant se garder de voir dans cette tendance quelque chose d’irréversible car le phénomène est cyclique. Il s’explique en très grande partie par de brusques mouvements de convection qui agitent le cœur en fusion de la Terre et qui sont à l’origine de ce champ magnétique.

1.2.2. Forme du champ magnétique

Alors que l’intensité du champ de gravitation décroît exactement comme l’inverse du carré de la distance au centre de la Terre, l’intensité du champ magnétique terrestre décroît approximativement comme l’inverse du cube de la distance au centre de la terre.

Cette représentation élémentaire n’est satisfaisante que jusqu’à 30 000 km d’altitude environ. Au-delà, ce n’est plus le cas, le champ magnétique n’ayant plus alors de structure symétrique par rapport à l’axe des pôles magnétiques. Cette particularité provient de l’influence du Soleil qui émet en permanence des particules électrisées (électrons, protons et noyaux d’hélium). Celles-ci traversent l’espace interplanétaire entre le Soleil et la Terre où elles parviennent avec des vitesses de l’ordre de 300 à 700 km/s.

Sous l’effet de ce vent solaire, une onde de choc apparaît à 100 000 km de la Terre du côté éclairé. Les lignes de champ sont comprimées du côté jour et étirées du côté nuit. Celles qui sont issues des points à haute altitude ne se referment pas sur elles-mêmes.

Sur la figure ci-contre :

  • \(C_p\) indique une forme de cornet polaire ;

  • \(Z_a\) indique une zone où se forment les aurores boréales.

L’allure d’ensemble rappelle celle d’une comète dont la Terre figurerait le noyau et dont les lignes de champ du côté nuit représenteraient la queue. L’espace dans lequel l’action magnétique de la Terre se fait sentir, tout en étant limité par une surface de choc, s’étend donc très loin du côté nocturne, bien au-delà de l’orbite de la Lune.

1.2.3. Irrégularités et variations du champ magnétique terrestre

Sur Terre, les anomalies dues à des présences de minerais de fer ou de roches magnétiques sont décelables par les géologues et prospecteurs miniers. Celles-ci sont d’ailleurs sans effets au-delà du globe terrestre. Plus surprenantes sont les variations qui se produisent lors de ce que l’on appelle les orages magnétiques. Après l’apparition de taches à la surface du Soleil ou de protubérances dans la couronne solaire, le vent solaire devient plus dense.

Bientôt, des bouffées de particules arrivent sur la surface de choc et tout le champ magnétique terrestre s’en trouve modifié : les compas de navigation deviennent momentanément inutilisables, la propagation des ondes radioélectriques est perturbée dans l’ionosphère, les populations de particules piégées dans la magnétosphère sont brutalement renouvelées et des aurores polaires sont fréquemment observées. Le champ magnétique n’est donc pas absolument stable et subit directement l’influence du Soleil.

2. Biosphère et écosphère

2.1. Citation d’un père jésuite et savant

« Les géologues s’accordent pour reconnaître la composition zonaire de notre planète. Nous avons déjà nommé la barysphère, métallique et centrale – entourée de sa lithosphère rocheuse – surmontée elle-même des couches fluides de l’hydrosphère et de l’atmosphère.

« À ces quatre surfaces emboîtées, la science s’habitue avec raison, depuis Suess, à ajouter la membrane vivante formée par le feutrage végétal et animal du globe : la biosphère. »

Pierre Teilhard de Chardin (Le phénomène humain)

2.2. Des conditions pour l’existence de la vie

Il y a 3,5 milliards d’années, l’atmosphère était littéralement exhalée de l’intérieur de la Terre, composée des gaz éjectés par les volcans : azote, gaz carbonique et vapeur d’eau. La grande spécificité de la Terre fut de retenir de l’eau à l’état liquide à sa surface. Une grande quantité de gaz carbonique se trouva dissoute dans l’eau ou les roches calcaires du fond des océans. Comme le gaz carbonique absorbe fortement l’infrarouge, un énorme effet de serre fut ainsi évité.

Des conditions propices à l’apparition de la vie étaient dès lors réunies. Les premiers micro-organismes construits tout comme nous d’atomes de carbone, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène pouvaient apparaître dans les eaux. L’atmosphère proche du sol allait bientôt être sensiblement modifiée par la présence de la vie et mériter l’appellation de biosphère.

L’azote moléculaire, sous-produit de la décomposition des matières organiques, devenait le constituant majoritaire. Le gaz carbonique était absorbé par la photosynthèse végétale. Simultanément, de l’oxygène moléculaire était produit aussi par les plantes.

Progressivement, le rayonnement UV intense qui avait peut-être favorisé l’apparition de la vie était arrêté par l’oxygène et l’ozone atmosphériques. L’atmosphère actuelle qui nous protège parfaitement contre les rayonnements nocifs était née.

2.3. Biosphère

La biosphère est définie comme la région de la planète où la vie est possible en permanence. Elle renferme l’ensemble des êtres vivants, entendu au sens large. Elle comprend :

  • la lithosphère, constituée des couches les plus externes de l’écorce terrestre, y compris les constituants géologiques du substrat solide du fond des océans ;

  • l’hydrosphère, appelé encore océan mondial (70 % de la surface planétaire) ;

  • l’atmosphère, constituant la zone la plus périphérique de notre planète et enveloppant les deux précédents milieux.

Deux caractères primordiaux font sa spécificité :

  • la présence permanente de l’eau à l’état liquide. Vue de l’espace, la Terre apparaît de couleur bleue en raison de la prépondérance des océans. Ce qui explique que les astronautes l’appellent la Planète bleue ;

  • la lumière solaire la baigne d’un flux continu. C’est à partir de cette unique source d’énergie exogène que les végétaux et les animaux élaborent toutes les substances organiques dont ils ont besoin pour produire les énergies chimiques, mécaniques, osmotiques, etc. nécessaires à leur croissance, leur reproduction et aux autres activités biologiques essentielles.

2.4. Écosphère

L’écosphère est une entité plus vaste que la biosphère. Elle désigne les enveloppes externes (gazeuses) et internes (solides) de la biosphère, englobant la haute atmosphère et la lithosphère. Ces deux dernières sont appelées zones para-biosphériques, régions dans lesquelles aucun végétal ne peut se développer à l’exception de quelques bactéries ou champignons.

Pour qu’il y ait écosphère, donc apparition de la vie et évolution des systèmes biologiques, un ensemble de conditions physico-chimiques très rigoureuses doivent être simultanément réalisées :

  • la planète doit être pourvue d’une atmosphère de composition convenable ;

  • le flux d’énergie, produit par l’étoile autour de laquelle elle gravite (en l’occurrence le Soleil), doit présenter, en intensité et en régularité, des valeurs comparables avec celles exigées pour le développement des formes vivantes.

3. Conditions de biogénèse

L’apparition de la vie nécessite plusieurs conditions :

  • la rétention d’une atmosphère suffisamment dense doit être possible. Ceci suppose une masse suffisamment importante de la planète ;

  • la surface doit être solide. Ceci exclut la possibilité de biogénèse sur des corps célestes plus volumineux. C’est le cas de Jupiter : la rétention de l’hydrogène et de l’hélium par la gravité excessive y empêche l’apparition d’une surface solide ;

  • la vie nécessite la présence d’eau liquide ;

  • cette vie se développe de façon optimale dans une gamme de moyenne de températures (par exemple entre 15 et 45 °C). Si une planète est trop proche de son étoile, les températures superficielles seront trop fortes (supérieures à 100 °C). À l’opposé, si elle en est trop éloignée, celles-ci seront trop basses, (inférieures à 0 °C) ;

  • dans le cas de la Terre, l’écosphère ne peut exister que dans une gamme de distance au Soleil tout au plus égale à \(\pm\) 5 % de sa valeur réelle.

En outre, trois autres conditions sont requises pour que les températures superficielles demeurent dans l’intervalle [0 °C, 100 °C] :

  • l’axe de rotation de la planète ne doit pas être trop incliné par rapport au plan de son orbite. Il y aurait alors de tels écarts saisonniers que les températures extrêmes atteintes seraient incompatibles avec la biogénèse ;

  • la planète ne doit pas avoir de période de rotation sur elle-même trop lente. Les écarts thermiques entre le jour et la nuit seraient trop importants et la planète serait inhabitable ;

  • la distance à l’étoile doit être respectée la limite de Roche. Au-dessous de cette valeur, les forces de gravitation provoquent la désagrégation de la planète.

Il existe par ailleurs une limite supérieure à la masse de l’étoile dont dépend la planète pour que l’apparition d’une biosphère soit possible :

Le flux d’énergie d’origine stellaire doit garder au niveau de l’écosphère une valeur constante pendant au moins 4 milliards d’années. L’étoile doit donc rester sur la séquence principale pendant une durée minimale égale à ce laps de temps.

Pour la Terre, le Soleil présentera un flux constant pendant les 5 prochains milliards d’années puisque la condensation du système planétaire s’est produite voici environ 4,6 milliards d’années, notre étoile demeurant 10 milliards d’années sur la séquence principale. La température moyenne globale au niveau du sol aurait atteint son maximum, il y a environ 3,7 milliards d’années avec une valeur estimée de l’ordre de 40 °C.

La troisième et ultime phase de l’évolution de l’écosphère a conduit à la formation de l’atmosphère actuelle, qui est en définitive une atmosphère tertiaire. La plupart des publications considèrent que la couche d’ozone stratosphérique a commencé à se former il y a 2 milliards d’années. La valeur actuelle de la concentration en ozone aurait été atteinte voici 800 millions d’années. Cette date est considérée comme la cause de l’apparition tardive des plantes vertes et autres organismes propres aux écosystèmes terrestres.

La formation de l’océan mondial a constitué l’étape majeure de la formation de l’écosphère. C’est à partir de cette dernière que la biogène a pu se produire, car, compte tenu de l’intense niveau de radiations ionisantes et ultraviolettes qui régnait à la surface de la planète, l’existence de toute forme de vie était impossible à la surface des continents primitifs.

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