Des recherches menées en partie à l'Advanced Photon Source ont aidé les scientifiques à découvrir la composition de la première atmosphère de la Terre. Ce qu'ils ont trouvé soulève des questions sur l'origine de la vie sur Terre.

Il y a longtemps, alors que notre système solaire formait les planètes que nous connaissons aujourd'hui, La Terre était essentiellement une boule géante de lave en fusion. Il y a environ 4,5 milliards d'années, les scientifiques pensent que la Terre est entrée en collision avec une planète de la taille de Mars. L'énergie de cette collision catastrophique a soufflé l'atmosphère existante de la Terre dans l'espace, créé notre Lune, et a fait fondre la planète entière.

Heures supplémentaires, cet océan de magma mondial a libéré des gaz tels que l'azote, hydrogène, carbone et oxygène, créer une nouvelle atmosphère, la plus ancienne version de celle que nous avons aujourd'hui. Mais quoi, exactement, était cette atmosphère au début? Et pourquoi notre atmosphère est-elle maintenant si différente de celle de nos voisins cosmiques ? Ces questions ont laissé les scientifiques perplexes pendant des générations, mais les réponses nous ont échappé jusqu'à récemment.

Maintenant, une équipe internationale de scientifiques explorant les origines de l'atmosphère terrestre a découvert que la nôtre était autrefois très similaire à l'atmosphère trouvée sur Vénus et Mars aujourd'hui. Leurs découvertes, récemment publié dans la revue Avancées scientifiques , ont des implications qui vont bien au-delà de la composition chimique de l'atmosphère primitive de la Terre, car les résultats creusent des trous dans une théorie populaire de l'évolution de la vie elle-même.

Il s'avère que des indices de l'atmosphère primitive de la Terre ont été enfouis dans nos roches les plus anciennes. Ce qu'il a fallu pour les découvrir était un four laser, une boule de lave en lévitation et l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national d'Argonne du DOE.

L'équipe de recherche, dirigé par Paolo Sossi, maintenant chercheur principal à l'Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich et au National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, a décidé de percer ces secrets. Bien qu'ils n'aient eu aucun moyen de mesurer directement l'ancienne atmosphère de la Terre, ils ont trouvé un moyen de mesurer la composition exacte de l'atmosphère lorsque les roches les plus anciennes de la Terre se sont formées.

« Il y a quatre milliards et demi d'années, le magma - la roche en fusion qui se trouve maintenant sous la croûte terrestre - échangeait constamment des gaz avec l'atmosphère sus-jacente, " expliqua Sossi. " L'air et le magma s'influencent mutuellement. Donc, vous pouvez apprendre l'un de l'autre."

Alors que le magma se refroidit et se transforme en roche, il verrouille dans un enregistrement de ce qu'était l'atmosphère à ce moment-là. Le magma est riche en fer, et l'état d'oxydation du fer dans les roches (essentiellement la composition chimique de sa rouille) donne aux scientifiques une indication de ce à quoi ressemblait l'atmosphère primitive de la Terre, et combien d'oxygène était disponible à l'époque. Quand il y a plus d'oxygène dans l'atmosphère, le fer se lie à l'oxygène dans un rapport 2:3, et l'atmosphère est riche en azote et en dioxyde de carbone. Lorsque moins d'oxygène est disponible, le rapport est de 1:1, et l'atmosphère contient plus de méthane et d'ammoniac.

Cependant, comprendre la composition exacte de l'atmosphère primitive de la Terre, les scientifiques avaient essentiellement besoin de créer une version miniature de la Terre primitive (et de son atmosphère) en laboratoire. Pour faire ça, ils ont assemblé les composants élémentaires du manteau terrestre primitif (connu des géologues à péridotite), l'a chauffée avec un laser jusqu'à ce qu'elle devienne de la lave en fusion, puis a fait léviter cette boule de lave en fusion dans un flux de gaz censé représenter la première atmosphère de la Terre.

Quand la lave s'est refroidie, la boule de verre de la taille d'un marbre qui restait avait piégé un enregistrement de la réaction chimique entre la lave et l'atmosphère dans le fer qu'elle contenait. Les avancées technologiques qui ont rendu cette expérience possible ne sont apparues que récemment. Pour faire fondre la péridotite, vous devez l'obtenir très, très chaud - près de 2000°C - puis le tremper rapidement pour préserver la chimie à haute température. Cette capacité a été rendue possible grâce au développement d'une nouvelle technique de four laser.

Les scientifiques ont répété l'expérience un certain nombre de fois en utilisant diverses compositions chimiques de gaz qui auraient pu exister dans l'atmosphère primitive, puis étudié l'état d'oxydation du fer dans les échantillons, à la recherche de celles qui ressemblent le plus à celles trouvées dans les roches du manteau terrestre. La comparaison de l'état d'oxydation du fer dans les roches naturelles avec ceux formés en laboratoire a donné aux scientifiques une idée de l'un de leurs mélanges gazeux qui correspondait à l'atmosphère primitive de la Terre.

"Nous avons découvert que l'atmosphère que nous calculions avoir été présente sur Terre il y a des milliards d'années était de composition similaire à celle que nous trouvons sur Vénus et Mars aujourd'hui, " dit Sossi, qui savaient qu'il avait la composition atmosphérique correcte lorsque l'état d'oxydation du fer dans leur échantillon correspondait à ceux trouvés dans les roches anciennes du manteau terrestre. "Quand vous avez une atmosphère produite à partir de magma au bon état d'oxydation, vous en obtenez un composé d'environ 97 % de dioxyde de carbone et 3 % d'azote une fois refroidi, le même rapport trouvé aujourd'hui sur Vénus et Mars."

Pendant des années, les géologues se sont tournés vers l'APS pour étudier la composition des roches et l'état d'oxydation du fer qu'elles contiennent. Une ligne de lumière particulière à l'APS gérée par des scientifiques de l'Université de Chicago, GeoSoilEnviroCARS (13-ID-E), est devenu un leader mondial dans ce type de recherche et d'analyse. Lorsque le moment est venu pour les scientifiques de faire analyser leurs échantillons, il y avait un endroit évident où aller.

"L'APS nous donne la possibilité de faire de très petits faisceaux avec lesquels nous pouvons faire ce type d'analyse, " a déclaré Matt Newville, un associé de recherche principal et un scientifique des lignes de lumière à l'APS et un auteur de l'article. La ligne de lumière sur laquelle il travaille peut focaliser ses faisceaux jusqu'à 1 micron de diamètre, soit environ 50 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, donnant aux scientifiques la possibilité de faire des mesures très précises et précises de leurs échantillons.

"Nous faisons ce type d'analyse sur des roches tout le temps, mais il s'agissait d'échantillons étonnamment bien créés, " a déclaré Newville. " Qu'ils aient pu obtenir ces échantillons qui étaient très bons pour simuler l'effet de l'atmosphère au début est vraiment incroyable. "

Non seulement ces échantillons fournissent un moyen de mesurer la composition de l'atmosphère ancienne de la Terre, mais ils ont également imposé des contraintes géologiques à une théorie populaire de l'origine de la vie. Dans les années 1950, Stanley Miller a mené une expérience révolutionnaire à l'Université de Chicago montrant que les acides aminés - les éléments constitutifs de la vie - se formeraient dans un environnement avec de l'eau liquide et de l'air riches en méthane et en ammoniac lorsqu'ils étaient zappés avec de l'électricité pour simuler la foudre. À l'époque, c'étaient les conditions que l'on croyait existant sur la Terre primitive.

Cependant, si l'atmosphère primitive de la Terre était plutôt riche en dioxyde de carbone et en azote comme l'indique cette nouvelle recherche, cela rendrait plus difficile la formation de ces acides aminés.

Ces expériences ont également permis de répondre aux questions sur les raisons pour lesquelles l'atmosphère actuelle de la Terre est si différente de nos planètes voisines. Sur Terre, l'eau liquide formée à partir de cette atmosphère magmatique, tirant le dioxyde de carbone de l'air et dans les océans nouvellement formés. Sossi a dit cela parce que les trois planètes - la Terre, Vénus et Mars ont été formés à partir de matériaux similaires, ce sont les effets combinés de la grande masse de la Terre et de sa distance particulière du Soleil qui lui ont permis de retenir de l'eau liquide à sa surface, ce qui a ensuite provoqué une diminution du dioxyde de carbone. Alors que ce n'était pas le cas sur Vénus car il faisait trop chaud, ou sur Mars parce qu'il faisait trop froid.

Maintenant que Sossi a découvert quel type d'atmosphère se forme à partir d'un magma-Terre, il jette son dévolu sur les étoiles. En utilisant une modification de cette technique expérimentale, il espère trouver un moyen de mesurer la composition atmosphérique à l'aide de l'infrarouge afin qu'un jour nous puissions utiliser des satellites pour étudier les mondes magmatiques qui pourraient exister aujourd'hui dans d'autres systèmes solaires.