La raison pour laquelle l'atmosphère terrestre contient autant d'oxygène depuis environ deux milliards d'années par rapport aux atmosphères d'autres planètes connues est restée longtemps un mystère. Des chercheurs de l'Institut de recherche bavarois de géochimie expérimentale et de géophysique (BGI) de l'Université de Bayreuth ont récemment utilisé des expériences à haute pression pour étayer un soupçon jusqu'ici non prouvé :dans l'histoire géologique ancienne, la haute pression dans les océans magmatiques a déclenché des processus qui ont entraîné une forte oxydation du manteau supérieur de la Terre. Cela a ensuite conduit à des composés riches en oxygène tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau s'échappant du manteau dans l'atmosphère. Les scientifiques ont présenté leurs découvertes dans la revue Science .

On sait depuis un certain temps que lors de la formation de la Terre, de nombreux corps célestes plus petits, appelés embryons planétaires et planétoïdes, ont eu un impact sur sa surface. D'énormes quantités d'énergie ont été libérées dans le processus, faire fondre de grandes quantités de roche. Des océans de magma chaud se sont formés dans le manteau terrestre, s'étendant jusqu'à une profondeur allant jusqu'à 2, 500 kilomètres et contenant du fer oxydé Fe ²⁺ ("fer ferreux"). Les scientifiques de Bayreuth ont simulé les pressions qui ont agi sur Fe ²⁺ dans les océans de magma dans une série d'expériences à haute pression. Dans ce but, des pressions de plus de 20 gigapascals ont été générées dans les laboratoires de BGI. "C'est l'équivalent de mettre toute la masse de la Tour Eiffel sur un objet de la taille d'une balle de golf, " dit Katherine Armstrong, auteur principal de l'étude, qui a obtenu son doctorat de l'Université de Bayreuth et travaille maintenant à l'Université de Californie Davis.

Dans de nombreux essais expérimentaux, Fe ²⁺ -la roche contenant a été exposée à des pressions extrêmement élevées d'une magnitude similaire. Il s'est avéré que Fe ²⁺ ne reste pas stable dans ces conditions :Au lieu de Fe ²⁺ , les produits d'analyse à la fin des expériences contenaient une faible proportion de fer Fe non oxydé ⁰ ("fer métallique") d'une part, et une grande proportion du fer plus fortement oxydé Fe ³⁺ ("fer ferrique") de l'autre. A la plus haute pression atteinte, 96 pour cent du fer contenu dans les échantillons était Fe ³⁺ .

Ces résultats confirment expérimentalement pour la première fois l'hypothèse qu'au début de l'histoire géologique, de grandes quantités de Fe ³⁺ se sont formés qui sont restés dans le manteau supérieur après le refroidissement de la Terre. Pendant ce temps, le fer non oxydé formé dans les océans magmatiques a rapidement coulé jusqu'au cœur de la Terre en raison de sa haute densité. Par conséquent, le manteau supérieur de la terre a été laissé dans un état relativement fortement oxydé. Pas loin sous la surface de la Terre, diverses conditions physico-chimiques se sont développées qui, au cours de milliards d'années, ont provoqué la libération de grandes quantités de composés riches en oxygène dans l'atmosphère terrestre, en particulier le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, au lieu des composés réduits méthane et hydrogène.

"Dans notre nouvelle étude, nous ne prétendons pas que la teneur élevée en oxygène de l'atmosphère terrestre par rapport aux autres planètes est due uniquement aux changements de haute pression du fer. Mais une chose semble être claire :ces processus ont joué un rôle majeur dans le fait que la Terre est entourée d'une atmosphère riche en oxygène, " déclare le Dr Catherine McCammon de l'Institut de recherche bavarois de géochimie expérimentale et de géophysique, qui a été étroitement impliqué dans la recherche.