D'où vient l'océan global de la Terre ? Une équipe de géoscientifiques de l'Arizona State University dirigée par Peter Buseck, Professeur des régents à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace (SESE) et à l'École des sciences moléculaires de l'ASU, a trouvé une réponse dans une source jusque-là négligée. L'équipe a également découvert que notre planète contient beaucoup plus d'hydrogène, un proxy pour l'eau, que les scientifiques ne le pensaient auparavant.

Alors où est-il ? Principalement au cœur de notre planète, mais plus à ce sujet dans une minute. La plus grande question est de savoir d'où vient tout cela en premier lieu.

"Les comètes contiennent beaucoup de glace, et en théorie aurait pu fournir de l'eau, " dit Steven Desch, professeur d'astrophysique à SESE et l'un des scientifiques de l'équipe. Astéroïdes, il ajoute, sont aussi une source, pas aussi riche en eau mais toujours abondante.

"Mais il y a une autre façon de penser aux sources d'eau dans les jours de formation du système solaire, " explique Desch. " Parce que l'eau est de l'hydrogène plus de l'oxygène, et l'oxygène est abondant, n'importe quelle source d'hydrogène aurait pu être à l'origine de l'eau de la Terre."

Au début

L'hydrogène gazeux était l'ingrédient principal de la nébuleuse solaire, les gaz et la poussière à partir desquels le Soleil et les planètes se sont formés. Si l'hydrogène abondant dans la nébuleuse pouvait se combiner avec le matériau rocheux de la Terre lors de sa formation, qui pourrait être l'origine ultime de l'océan mondial de la Terre.

Jun Wu, l'auteur principal de l'article que l'équipe a publié dans le Journal de recherche géophysique , est professeur adjoint de recherche à la fois à SESE et à l'École des sciences moléculaires. Il dit, "La nébuleuse solaire a reçu le moins d'attention parmi les théories existantes, même si c'était le réservoir prédominant d'hydrogène dans notre système solaire primitif."

Mais d'abord, quelques travaux de détective géochimique.

Pour distinguer les sources d'eau, les scientifiques se tournent vers la chimie des isotopes, mesurer le rapport entre deux types d'hydrogène. Presque tous les atomes d'hydrogène ont un noyau qui est un seul proton. Mais dans environ un sur 7, 000 atomes d'hydrogène, le noyau a un neutron en plus du proton. Cet isotope est appelé « hydrogène lourd, " ou deutérium, symbolisé par D.

Le rapport du nombre d'atomes D aux atomes H ordinaires est appelé le rapport D/H, et il sert d'empreinte pour l'origine de cet hydrogène. Par exemple, l'eau astéroïde a un D/H d'environ 140 parties par million (ppm), tandis que l'eau cométaire coule plus haut, allant de 150 ppm à 300 ppm.

Les scientifiques savent que la Terre a un océan d'eau global à sa surface et environ deux autres océans d'eau dissous dans les roches de son manteau. Cette eau a un rapport D/H d'environ 150 ppm, faire une source d'astéroïdes un bon match.

Comètes ? Avec leurs rapports D/H plus élevés, les comètes ne sont généralement pas de bonnes sources. Et ce qui est pire, le D/H de l'hydrogène gazeux dans la nébuleuse solaire n'était que de 21 ppm, beaucoup trop bas pour fournir de grandes quantités d'eau de la Terre. En réalité, le matériel astéroïdal correspond si bien que les chercheurs précédents ont écarté les autres sources.

Mais, disent Wu et ses collègues, d'autres facteurs et processus ont modifié le D/H de l'hydrogène terrestre, à partir du moment où la planète commençait à se former. Wu dit, "Cela signifie que nous ne devrions pas ignorer le gaz dissous de la nébuleuse solaire."

Concentration d'hydrogène

La clé réside dans un processus alliant physique et géochimie, que l'équipe a découvert a agi pour concentrer l'hydrogène dans le noyau tout en augmentant la quantité relative de deutérium dans le manteau terrestre.

Le processus a commencé assez tôt alors que les planètes du Soleil commençaient à se former et à croître grâce à la fusion de blocs de construction primitifs appelés embryons planétaires. Ces objets de la taille de la Lune à Mars ont grandi très rapidement au début du système solaire, collision et accrétion de matériaux de la nébuleuse solaire.

Au sein des embryons, les éléments radioactifs en décomposition font fondre le fer, qui a attrapé l'hydrogène astéroïde et a coulé pour former un noyau. Le plus gros embryon a subi une énergie de collision qui a fait fondre toute sa surface, faire ce que les scientifiques appellent un océan de magma. Le fer fondu dans le magma a arraché l'hydrogène de l'atmosphère primitive en développement, qui dérive de la nébuleuse solaire. Le fer transportait cet hydrogène, avec l'hydrogène d'autres sources, dans le manteau de l'embryon. Finalement, l'hydrogène s'est concentré dans le noyau de l'embryon.

Pendant ce temps, un autre processus important se déroulait entre le fer fondu et l'hydrogène. Les atomes de deutérium (D) n'aiment pas autant le fer que leurs homologues H, provoquant ainsi un léger enrichissement en H dans le fer en fusion et laissant relativement plus de D dans le magma. De cette façon, le noyau a progressivement développé un rapport D/H inférieur à celui du manteau silicaté, qui s'est formé après le refroidissement de l'océan magmatique.

Tout cela était la première étape.

La deuxième étape a suivi lorsque les embryons sont entrés en collision et ont fusionné pour devenir la proto-Terre. Une fois de plus un océan de magma s'est développé à la surface, et encore une fois, les restes de fer et d'hydrogène peuvent avoir subi des processus similaires à ceux de la première étape, complétant ainsi la livraison des deux éléments au cœur de la proto-Terre.

Wu ajoute, "Outre l'hydrogène que les embryons ont capturé, nous pensons qu'ils ont également capturé du carbone, azote, et les gaz rares de la nébuleuse solaire primitive. Ceux-ci auraient dû laisser des traces isotopiques dans la chimie des roches les plus profondes, que nous pouvons rechercher."

L'équipe a modélisé le processus et vérifié ses prédictions par rapport à des échantillons de roches du manteau, qui sont rares aujourd'hui à la surface de la Terre.

"Nous avons calculé combien d'hydrogène dissous dans le manteau de ces corps aurait pu se retrouver dans leurs noyaux, " dit Desch. " Ensuite, nous avons comparé cela aux mesures récentes du rapport D/H dans des échantillons du manteau profond de la Terre. " Cela a permis à l'équipe de fixer des limites sur la quantité d'hydrogène dans le noyau et le manteau de la Terre.

"Le résultat final, " dit Desch, "est-ce que la Terre s'est probablement formée avec sept ou huit océans mondiaux d'hydrogène. La majorité de cela provenait en effet de sources astéroïdes. Mais quelques dixièmes de la valeur d'un océan d'hydrogène provenaient du gaz de la nébuleuse solaire."

Additionner les quantités mises en cache à plusieurs endroits, Wu dit, "Notre planète cache la majorité de son hydrogène à l'intérieur, avec environ deux océans mondiaux dans le manteau, quatre à cinq dans le noyau, et bien sûr, un océan mondial à la surface."

Pas seulement pour notre système solaire

La nouvelle découverte, dit l'équipe, s'intègre parfaitement dans les théories actuelles sur la formation du Soleil et des planètes. Cela a également des implications pour les planètes habitables au-delà du système solaire. Les astronomes en ont découvert plus de 3, 800 planètes en orbite autour d'autres étoiles, et beaucoup semblent être des corps rocheux pas très différents du nôtre.

Beaucoup de ces exoplanètes se sont peut-être formées loin des zones où des astéroïdes riches en eau et d'autres éléments constitutifs auraient pu apparaître. Pourtant, ils auraient toujours pu collecter de l'hydrogène gazeux à partir des nébuleuses solaires de leurs propres étoiles de la même manière que la Terre l'a fait.

L'équipe conclut, "Nos résultats suggèrent que la formation d'eau est probablement inévitable sur des planètes rocheuses suffisamment grandes dans les systèmes extrasolaires."