La Terre en devenir
De la poussière cosmique
à notre globe actuel

Anne DEBROISE - 12 décembre 2008

La Terre
Entre -1 milliard et -500 millions d'années
la terre sort d'une glaciation totale.
La boule de glace laisse apparaître
quelques continents formés
au gré de la tectonique des plaques.

Quatre milliards et demi d'années d'histoire de notre planète à raconter : vaste sujet, au premier abord, mais il faut savoir que les deux premiers milliards d'années de cette histoire sont très peu documentés. De plus, on n'a aucune trace, sur terre, de la naissance de notre planète. Les plus vieilles roches ont environ quatre milliards d'années. Or, entre 4,5 et 4,0 milliards d'années, il s'est passé énormément de choses : c'est dans ces premiers 500 millions d'années que tout s'est mis en place.

Sur ce temps des origines, on en est donc réduit à des simulations, à des interprétations, ainsi qu'à des comparaisons avec ce qu'on a pu observer dans d'autres systèmes stellaires qu'on a effectivement vu se former. C'est souligner la difficulté du sujet. Néanmoins, on arrive à brosser un portrait assez cohérent de ces débuts de notre planète, sans oublier toutefois que, sur ce portrait, il reste encore énormément de travail à faire et de précisions à apporter.

Au cours de cet exposé, nous décrirons d'abord ce scénario initial ; puis ensuite, par touches successives, nous décrirons les diverses évolutions subies par notre globe ; pour finalement en arriver à la fin du système solaire et à la disparition de la planète Terre.

Le scénario initial

La formation du système solaire

La formation de la terre et des autres planètes est un problème scientifique posé depuis longtemps. On a réussi à en déterminer plusieurs étapes, selon divers scénarios (figure 1).

D'abord, au départ, comme on peut l'observer en haut de la figure, il y avait un immense nuage de gaz en forme de spirale, contenant quelques infimes poussières : 1% de poussières et 99% de gaz, essentiellement de l'hydrogène et de l'hélium. En réalité, et plus précisément, quasiment toutes les espèces chimiques étaient présentes, mais pour l'essentiel à l'état de traces.

Le système solaire

Sous l'effet de la pesanteur, cet énorme nuage de gaz s'est peu à peu effondré sur lui-même, car il était devenu suffisemment dense pour que la gravité, qui attire les masses entre elles, fasse sentir son effet. Il s'est alors formé au centre de ce nuage une boule dans laquelle ont commencé à se mettre en route des réactions nucléaires, boule qui est devenue
chaude et lumineuse et qui était le futur soleil. En outre, au fur et à mesure que cette spirale de gaz s'est effondrée sur elle-même et bien que la majorité du gaz soit restée au centre, il y eut des expulsions extrêmement violentes de matière, en sorte que une importante partie de ce gaz très léger, de l'hydrogène puis de l'hélium, a formé un disque qui s'est étalé tout autour du soleil, disque très chaud à proximité du soleil et de plus en plus froid lorsque la distance augmentait.

Dans ce disque, plusieurs zones très importantes pouvaient être ditinguées ; notamment la zone que l'on a appelée la "limite des glaces". C'est une zone un peu imaginaire au delà de laquelle l'eau n'est plus présente sous forme de vapeur mais sous forme de glace. Cela va délimiter dans le système solaire d'une part toute la partie des planètes telluriques (les planètes rocheuses) et, au delà de cette limite des glaces, la partie des planètes gazeuses, les géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune). qui ont un cœur de glace solide mais sont, pour l'essentiel, formées de gaz.

On voit (figure 1 C) peu à peu apparaître, dans ce disque gazeux, des lignes sombres. Ce sont les traces laissées par des petites planètes qui se forment par suite d'un mécanisme d'accrétion : elles agrègent autour d'elles, au fur et à mesure qu'elles prennent de la masse et du fait de la gravité, toute la poussière qui passe à proximité. Petit à petit, à partir de ces planétoïdes en formation et avec le temps, va se constituer le système solaire tel qu'on le connaît aujourd'hui.

La formation de la Lune

La planète Terre en zone dite "habitable"

A l'intérieur du système solaire et dans une position très particulière que l'on appelle la zone "habitable", on trouve la Terre. Elle se situe suffisamment loin du soleil pour pouvoir contenir et retenir de l'eau liquide mais pas trop loin, car sinon l'eau serait sous forme de glace. C'est donc une zone extrêmement particulière dans laquelle, plus tard, la vie sera possible : 5% plus près du soleil, la vie n'était pas possible car il aurait fait trop chaud ; 3% plus loin, la vie n'était pas possible non plus, parce que l'eau était gelée. C'est une zone très précise où la vie va pouvoir apparaître.

La collision avec ce qui deviendra la Lune

Très tôt dans l'histoire de la Terre, alors qu'elle faisait 90% de sa masse actuelle, la Terre est entrée en collision avec un autre corps céleste, collision qui a conduit à la formation de la Lune (Figure 2).

La Terre, en effet, continuait à agréger tout ce qui passait "à sa portée". Au début de l'histoire du système solaire, de multiples "cailloux" ressemblant à des météorites "circulaient" dans l'espace et certains passaient à proximité de la Terre : en moyenne, tous les vingt ans tombait sur terre un "caillou" de plus d'un km, ce qui est énorme. C'est dans ces conditions, que s'est produite une collision gigantesque : une masse de la taille de Mars, c'est-à-dire un quart de celle de la Terre, de trois à quatre mille km de diamètre, a heurté la Terre (Figure 2 A). Cette immense collision a projeté d'innombrables débris tout autour de la Terre, débris qui se sont mis à tourner autour de la Terre 2 B). Petit à petit, ils se sont agglomérés ce qui a finalement abouti à la formation de la Lune (2 C). Sur l'image 2 B on voit ces débris qui sont en rotation autour de la Terre, un peu comme les anneaux de Saturne. Peu à peu ils se sont agglomérés pour former la Lune, alors qu'autour de Saturne les débris sont restés sous leur forme initiale formant les célèbres anneaux.

La Terre des origines

Décrivons maintenant la Terre telle qu'elle se présente à l'issue de cette phase initiale.

Un excès de chaleur

La Terre est alors un immense sphéroïde chaud qui essaie d'évacuer sa chaleur comme il peut. Pourquoi cette chaleur ? Plusieurs raisons. Il y a d'abord tous les chocs au début de sa formation lors de l'agglomération de particules solides de toutes tailles. Ensuite, à l'intérieur de la Terre il y a des matériaux radio-actifs, notamment de l'uranium, du thorium, certains isotopes du potassium ; les réactions nucléaires qu'ils engendrent élèvent la température de la Terre. Au départ, il y avait ainsi environ 5000 degrés au cœur de la Terre et, à sa surface environ 2000 degrés : la surface terrestre n'était qu'un océan de laves, de 500 à 1000 km d'épaisseur. Puis, peu à peu, mais néanmoins assez rapidement, dès que la température a baissé aux environs de 500 degrés, sont apparues des solidifications, des cristallisations de matière. Au moment de la collision avec la Lune on estime d'ailleurs que déjà 70% de la surface terrestre était solidifiée.

Formation de l'atmosphère terrestre

Un autre événement assez violent est survenu au début de l'histoire de la Terre. La Terre, avons-nous dit, s'était formée par agrégation de poussières et de gaz. Très tôt se constitua une athmosphère composée en majorité d'hydrogène, mais aussi d'hélium et d'un peu de méthane. Or, à cette même époque, le soleil qui était aussi en pleine formation a émis de puissants jets de matières ionisée et ces vents solaires ont complètement brûlé la surface de la Terre, évacuant toute cette première atmosphère vers les confins du système solaire.

Néanmoins, très vite, la Terre a reformé une atmosphère. En effet, elle s'est mise à dégazer les matériaux volatils qui étaient dissous dans son magma, dégazage d'autant plus actif qu'il y avait à cette époque un très puissant volcanisme pour évacuer l'énergie considérable contenue par la Terre à ses débuts. Il y a donc eu dégazage, en particulier du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, de l'hélium, du méthane, sans doute aussi un peu d'azote, qui formèrent cette atmosphère primitive.

Quelle était la proportion de méthane ? Les scientifiques ne sont pas tous d'accord sur ce point : certains pensent qu'il devait y en avoir très peu et d'autres beaucoup. En tous les cas, s'il y avait une proportion suffisante de méthane, on devait voir dominer des couleurs orangées. Bien sûr pas d'oxygène, et pas de couleur bleue. A cette époque-là, la Terre ressemblait plus à une orange qu'à une planète bleue.

Enfin, dans cette atmosphère terrestre, il y avait beaucoup de vapeur d'eau. Lorsque la Terre s'est suffisamment refroidie, cette vapeur d'eau s'est condensée, engendrant les premières pluies tombées sur terre. C'était sans doute très tôt, vers 4,4 milliards d'années. On en a en effet des traces : ce sont des zircons, de tout petits cristaux qui se forment en présence d'eau et que l'on a daté de 4,4 milliards d'années. On en a retrouvé, car ces cristaux supportent des températures de 2000 à 3000 degrés et, même s'ils sont recyclés, s'ils passent dans le magma, ils restent intacts, de sorte qu'on les retrouve et qu'on peut les analyser ; ce sont des tout petits restes de ces âges très reculés. Il y a donc bien eu de l'eau liquide vers 4,4 milliards d'année.

On pense d'ailleurs que la condensation est plutôt survenue de nuit, quand il fait le plus froid et que cette eau devait avoir une température allant de 90 à 300 degrés. Pourquoi 300 degrés pour de l'eau liquide ? Tout simplement parce qu'il y avait alors une très forte pression atmosphérique, sans doute 300 fois la pression atmosphérique actuelle, un peu comme c'est maintenant le cas sur Vénus. Ce sont donc des premières gouttes d'eau brûlantes qui sont tombées sur la Terre. On a tenté de chiffrer à quoi pouvait ressembler ces pluies. C'était un véritable déluge : pour remplir tous les océans, il aurait dû pleuvoir pendant mille ans à peu près 4 à 7 mètres d'eau par an, c'est à dire 10 fois les précipitations que l'on a aujourd'hui dans les régions tropicales.

Dans le même temps, la Terre restait soumise à un intense bombardement météoritique qui a duré, pense-t-on, jusqu'à 3,8 milliards d'années. On en a un enregistrement assez fidèle sur la Lune, dont la surface n'a pratiquement pas bougé depuis sa formation, alors que la surface de la Terre a été fortement remodelée par la tectonique des plaques dont on parlera un peu plus loin et qui renouvelle en permanence la lithosphère terrestre.

Or, en raison même de cet intense bombardement météoritique, la condensation de l'eau sur la Terre ne s'est sûrement pas faite en une fois. Quand une météorite tombait sur terre, à condition qu'elle soit suffisamment grosse (plus d'1 km), le choc était tel qu'elle évaporait tous les océans qui avaient pu se former et que cette eau se retrouvait à nouveau dans l'atmosphère sous forme de vapeur ; d'où un nouveau cycle de condensation et de pluies pour remplir à nouveau les tout jeunes océans en train de se former.

Ajoutons que le dégazage pour former l'atmosphère de la Terre et l'abondance des pluies n'étaient pas suffisants pour constituer la totalité de l'atmosphère terrestre de l'époque. Quand on modélise la formation de cette atmosphère, il ne suffit pas de partir du dégazage. Il faut aussi prendre en compte le fait que les météorites et les comètes qui tombaient sur la Terre à l'époque de ce grand bombardement, apportaient leur lot d'eau et d'éléments volatils pour former l'athmosphère primitive. Les comètes, en effet, sont très riches en glace.

L'évolution ultérieure de la planète Terre

A partir de l'état "initial" que l'on vient de tenter de décrire, la Terre a subi de nombreuses transformations, au moins à sa surface. D'abord la formation de la croûte terrestre, avec les plaques continentales et le fait que, ces plaques étant en mouvement, les continents se sont eux-mêmes déplacés, regroupés, dispersés… Ensuite les variations du champ magnétique terrestre, qui va jusqu'à s'inverser tous les 700 000 ans. Enfin les changements climatiques qui remontent aux temps les plus lointains mais qui se sont pousrsuivis jusqu'à l'époque historique.

Nous allons reprendre ces trois points, mais il est important de bien noter que nos connaissances sur toutes ces transformations sont très inégales. L'ancienneté des époques auxquelles il nous est possible de remonter est extrêmement variable selon les phénomènes étudiés, parfois quelques milliards d'années, parfois moins du milliard d'années. Comme dit au début de cet exposé, les temps les plus anciens sont très peu documentés ou ne le sont que de manière très générale, sinon approximative.

Formation de la lithosphère terrestre ; les mouvements intérieurs ; les plaques continentales

La Terre se structure

Evoluant depuis son état "initial", la Terre a fini par se refroidir ; le bombardement météoritique s'est espacé ; il a pu alors se former une croûte un peu dure à la surface de la terre. Toutefois, à l'intérieur, demeure un important magma, qui reste assez fluide. Il y a donc séparation de certaines espèces chimiques : les plus lourdes sont attirées vers le centre, par l'effet de la gravitation, notamment le fer et le nickel qui peu à peu se concentrent au centre de la planète ; et les espèces les plus légères, notamment les silicates, qui se rassemblent vers la périphérie. Ainsi se forme la lithosphère terrestre, c'est-à-dire la couche extérieure de la planète.

Aujourd'hui, cette lithosphère se compose de deux parties : d'une part la croûte océanique, assez fine, de 5 à 7 km d'épaisseur, sous les océans. Elle se renouvelle rapidement, étant constamment recyclée. Elle est très lourde (surtout du basalte) et dès qu'elle s'humidifie sous les océans elle à tendance à plonger sous le manteau où elle retrouve des températures importantes, ce qui fait qu'elle est fluidifiée, d'où un recyclage rapide. D'autre part la croûte continentale qui supporte les continents, beaucoup plus épaisse, de 40 à 70 km d'épaisseur, et moins dense, car son origine est différente de celle de la croûte océanique.

La croûte océanique s'est formée sous forme de cristallisation, par suite du refroidissement de la planète, de sorte que, en raison de sa densité elle a plongé sous le manteau (Figure 3).

Partant du centre de la Terre, la figure 3 montre : le noyau terrestre avec le fer, puis le noyau externe liquide, puis le manteau, puis (en grisé plus foncé) la croûte océanique. Cette dernière se liquéfie lorsqu'en raison de son poids elle plonge sous le manteau ; elle est ensuite ré-éjectée vers l'extérieur et elle cristallise alors sous forme de granite, une formation beaucoup moins dense que la croûte océanique, d'où finalement la formation des continents. Comme les continents ont mis à peu près deux milliards d'années à se former, la masse continentale actuelle a sans doute été atteinte il y a à peine deux milliards d'années.

Sur la figure 3, on voit des flèches. Que montrent ces flèches ? comme on a un cœur très chaud (plusieurs milliers de degrés) et une couche extérieure beaucoup plus froide (de l'ordre de 20 degrés à la surface extérieure de la Terre mais près de 500 degrés à la base de la lithosphère), cette différence de températures, suscite des mouvements de convection. La matière chaude va vers la matière froide et il se produit un brassage. Car si le manteau est solide, il n'est pas rigide, sa consistance rappelant un peu celle de la pâte à modeler, avec ici ou là quelques poches de magma. Il y a donc brassage et ces mouvements de convection cassent, ou plutôt ont cassé, la croûte terrestre, avec des zones où, à l'inverse, il y a reformation de croûte terrestre, lorsque, par exemple, deux plaques s'écartent. Le magma peut alors remonter et reformer de la croûte.

Tous ces mouvements ont abouti au fractionnement de la croûte terrestre en plusieurs plaques. On voit sur la figure 4 les grandes plaques telles qu'on les observe actuellement ; il y aussi des petites plaques moins étendues, en quoi certaines de ces grandes plaques se sont à leur tour fractionnées. Mais, grosso modo, il y a une douzaines de grandes plaques, certaines uniquement océaniques comme la plaque pacifique ; et d'autres qui supportent les continents (figure 4).

La tectonique des plaques

Les plaques se déplacent les unes par rapport aux autres à des vitesses de quelques centimètres par an sur ce substrat finalement assez visqueux que l'on appelle la sténosphère. Dans les zones où les plaques sont divergentes, en général sous les océans, il y a reformation de croûte océanique par remontée du magma (ce sont les dorsales océaniques) ; et dans les zones où les plaques poussent les unes contre les autres, plusieurs cas se présentent :

Les "voyages" des continents : dispersions et regroupements successifs

Tout cela induit à penser, comme Wegener s'en était le premier rendu compte, que les plaques ont "voyagé", se transformant au cours des temps géologiques. Autrement dit, le visage de la Terre a énormément changé au cours du temps. Les scientifiques ont essayé de retracer ces visages successifs.

Pour cela ils se sont aidés du magnétisme. La Terre, en effet (nous y revenons plus loin), se comporte, grosso modo, comme un dipôle, c'est-à-dire comme un aimant avec un pôle nord et un pôle sud. Or quand il y a des espèces chimiques sensibles au magnétisme, notamment le fer, on y constate une orientation et on peut, à partir de cette orientation, déduire où se trouvaient les roches au moment où elles se sont formées. Ces constatations, toutefois, ne permettent guère de remonter au-delà du dernier milliard d'années de l'histoire terrestre. En deça, les supputations que l'on peut faire sont très incertaines.

Résultats de ces observations : vers 900 à 600 millions d'années, on suppose qu'existait un seul immense continent, que l'on a appelé la Rodinia, peut-être formé du rassemblement de masses continentales antérieures dont on sait peu de choses (comme on vient de le dire, il est très difficile de remonter au delà du milliard d'années). Remarquons qu'une durée de 300 millions d'années (de 900 à 600 millions d'années) c'est relativement très peu au regard de toute l'histoire terrestre. Ce qui induit à penser que, grosso modo, il y a sensiblement tous les 500 millions d'années un "méga-continent", qui rassemble toutes les terres, avec autour un "méga-océan" ; ensuite il se disperse, puis 500 millions d'années plus tard, il se reconstitue. L'idée d'une telle alternance, bien sûr, n'est qu'un schéma théorique, mais ce que l'on observe ne le rend pas invraisemblable.

Le Gondwana

Donc voici, entre 900 et 600 millions d'années, la Rodinia. Nous sommes alors vers la fin de l'époque dite "précambrienne", c'est-à-dire celle des "origines". Au début, la Rodinia semble avoir été centrée sur l'Antarctique. Mais peu à peu elle serait remontée vers l'équateur. Puis, vers 500 millions d'années, au début du cambrien, la Rodinia se fractionne. Au nord commence à se détacher un immense continent, la "Sibérie" (ou encore Laurasia) qui remonte encore plus au nord, avec formation de chaînes de montagnes. Au sud, des masses continentales éclatées qui finiront par se réunir dans un continent appelé Gondwana, regroupement qui suscite aussi l'apparition d'immenses chaînes de montagne, toutes aujourd'hui disparues (figure 5). Entre Laurasia et Gondwana, des océans où apparaissent des poissons connus sous le nom de siluriens.
Puis vers 300 millions d'années, au début du carbonifère, ces masses continentales se regroupent à nouveau pour former un nouveau grand continent. C'est une période chaude, la grande époque des végétaux, avec les fougères géantes. Ce nouveau continent unique, dénommé la Pangée, est mieux connu puisque plus récent. Il comporte une petite mer intérieure, la Thétys, et se trouve entouré d'un vaste océan.

La Pangée va ensuite se fragmenter à son tour et, après un long épisode où l'on retrouvera Laurasia (au nord) et Gondwana (au sud), donner progressivement naissance à la configuration des continents que l'on connaît actuellement (figure 6). On voit, par exemple, à la fin du crétacé, vers 65 millions d'années, l'Australie se détacher d'un bloc antarctique et devenir un continent totalement isolé du reste, d'où sa faune si particulière que l'on ne trouve nulle part ailleurs ; on voit également l'Inde qui remonte peu à peu vers le continent eurasiatique. Finalement on arrive à la situation actuelle.

De Pangée aux continents actuels La Terre dans cinquante millions d'années

Enfin, en extrapolant à partir des mouvements que l'on connaît, on tente, aujourd'hui, de prévoir ce qui se passera dans le futur, sans d'ailleurs pouvoir aller très loin, jusque vers 50 millions d'années (figure 7) ; on prévoit par exemple que l'Australie continue de remonter vers le nord et qu'elle se rattachera au continent sud-est asiatique ; période très intéressante qui verra la rencontre de deux biodiversités, de deux écosystèmes qui ne s'étaient pas rencontrés depuis plus de 100 millions d'années. Finalement, on pense qu'il y aura un jour formation à nouveau d'un grand continent qui regroupera l'Afrique, l'Europe, l'Asie, l'Australie et toute l'Océanie.

Le champ magnétique terrestre et ses variations

Revenons un peu en arrière au sujet du champ magnétique terrestre.

Ce champ magnétique joue un rôle essentiel pour la protection de la vie sur Terre : il sert de bouclier. Il protège des rayonnement cosmiques et solaires, rayonnements ionisants qui, sans cette protection, provoqueraient énormément de cancers et auraient sans doute empêché la vie de se développer. Très tôt, on a des traces de ce champ magnétique. Les plus anciennes roches montrent qu'on avait un champ magnétique à peu près aussi intense qu'aujourd'hui dès la naissance de la Terre.

Comment ce champ magnétique s'est-il formé ? Tous les scientifiques ne sont pas d'accord pour l'expliquer et tout n'est pas encore clair. Nous avons vu plus haut qu'au début de la formation de la Terre, les substances lourdes, notamment le fer, se sont concentrées au centre. Ce fer était en partie liquide. Comme la Terre tournait et qu'elle se trouvait dans le champ magnétique du soleil auquel le fer était sensible, il y a eu formation d'un champ électrique ; d'où, sous l'effet de ce champ électrique, formation d'un champ magnétique propre à la Terre qui s'est opposé au champ magnétique solaire.

Le champ magnétique terrestre n'est pas régulier, il peut changer d'intensité selon les époques ; et surtout, il peut changer de sens. À certains moments, il y a échange des polarités nord et sud ; le pôle sud se retrouve au pôle nord et inversement, sans qu'à ce jour, on ait une explication satisfaisante d'un tel phénomène. On sait que, régulièrement et peu à peu, l'intensité du champ magnétique diminue jusqu'à cette inversion sud-nord. On sait aussi que cette inversion se produit environ tous les 700 000 ans, que la dernière a eu lieu il y a près de 700 000 ans et que, précisément, on observe actuellement une diminution du champ magnétique terrestre.

Il n'est donc pas improbable que, dans mille ou deux mille ans, il y ait une nouvelle inversion. On ignore tout des conséquences qu'elle pourrait avoir sur la vie. Lors de cette inversion, il y aura en effet un affaiblissement du bouclier magnétique terrestre ; la vie sera donc assaillie par les vents solaires et les rayonnements cosmiques, ce qui risque de créer une situation très dangereuse. Néanmoins, quand on considère les grandes extinctions d'espèces qui se sont produites sur la terre depuis six cents millions d'années, on ne trouve aucune corrélation entre les inversions de champ magnétique et ces extinctions d'espèces. On ne s'inquiète donc pas tellement à ce sujet. Cela dit, la question du champ magnétique terrestre reste un grand mystère.

Ajoutons qu'en plus de ces inversions pôle nord pôle sud, il y a des déplacements des pôles magnétiques : le pôle nord magnétique, par exemple, se déplace de 40 km par an, de sorte qu'il n'est pas toujours au même endroit. Bien sûr, les pôles géographiques nord et sud ne changent pas de position.

Variation du climat

Les changements du climat

Si les variations du magnétisme terrestre semblent ne pas avoir une grande influence sur le cours de la vie sur terre, par contre les changements de climat ont une influence considérable (il pourrait d'ailleurs y avoir un lien entre changements magnétiques et climatiques, mais cette question est très mal connue).
Depuis les débuts de la Terre, on a eu des climats extrêmement différents caractérisés par des niveaux de température moyenne différents (Figure 8). On peut en donner deux images opposées. Il y a eu des époques où la Terre était entièrement recouverte de glace souvent sous plusieurs km d'épaisseur, avec des petites zones (puisque la vie a perduré) où la glace était beaucoup moins épaisse (fig d'introduction). Et il y a eu des époques où l'on trouvait des crocodiles au nord du cercle polaire et où des hippopotames vivaient dans la Tamise. Donc périodes très chaudes sans la moindre glace, alternant avec des périodes très froides.

La première grande glaciation, recouvrant toute la Terre, pourrait avoir eu lieu il y a 2,3 milliards d'années au cours du précambrien. On en a trouvé des traces. On a découvert en effet des roches datant de cette époque et portant les marques caractéristiques d'une glaciation : quand un glacier passe sur le sol terrestre, on observe des stries caractéristiques de son écoulement, un glacier charriant quantité de blocs rocheux de toutes tailles qui laissent des traces sur le sol en se déplaçant. Or, précisément, on a retrouvé des roches datant de 2,3 milliards d'années qui portent de telles traces ; si les calculs des déplacements tectoniques sont bons, ces roches devaient être présentes en divers endroits de la surface terrestre, y compris à l'équateur.

Pendant un certain temps, cette théorie est d'ailleurs restée assez controversée. Mais en 2005, un géophysicien toulousain (Frédéric Fluteau) est parvenu à monter une simulation qui fonctionne pour expliquer comment peut survenir un climat glaciaire généralisé à toute la Terre. Son explication, qui porte sur une époque différente, se développe comme suit.

Vers 600 millions d'années, nous dit-il, (c'est-à-dire vers la fin du cambrien) le super-continent Rodinia (dont on a parlé plus haut) était parvenu au niveau de l'équateur où étaient ainsi rassemblées toutes les masses continentales. Il y avait probablement des déserts au centre et tout autour de cette île-continent des zones plus humides. Puis, comme on l'a vu, la Rodinia s'est fractionnée ; il y eut alors formation, au niveau de l'équateur, de nombreuses îles avec une augmentation très importante de la pluviosité et donc une importante érosion des terres. Or quand de l'eau coule sur le sol, le calcium réagit avec le CO2 de l'air, absorbant peu à peu ce CO2 en formant des carbonates, c'est-à-dire du calcaire ; et ce calcaire sédimente dans les océans. En d'autres termes, quand il y a un fractionnement continental au niveau de l'équateur, là où la pluviométrie est élevée, se met en route comme une véritable pompe à CO2. La simulation arrive ainsi à une élimination de CO2 suffisamment importante pour qu'apparaisse de la glace, d'abord aux pôles.

Mais cette formation de glaces polaires est à son tour une autre facteur de variation climatique. En effet, une surface de banquise réagit comme un miroir qui réfléchit à 90% le rayonnement solaire vers l'espace. C'est le phénomène de l'albédo. Le refroidissement de la Terre s'accentue. Des glaces se forment de plus en plus, leur réfléchissement entraîne une accélération du refroidissement. La pompe à CO2 continuant de fonctionner, la simulation arrive finalement à une sphère terrestre complètement glacée, ayant l'apparence d'une boule de neige (figure d'introduction).

Seule difficulté de cette simulation : une, fois arrivée à ce stade "boule de neige", elle ne met en jeu aucun mécanisme pour en sortir : la glaciation serait sans fin ! Mais plusieurs hypothèses permettent de faire face à cette difficulté. On pense d'abord que, dans cet état de glaciation, il n'y a plus d'échanges entre l'atmosphère et la mer : la pompe à CO2 ne fonctionne plus. Or dans l'atmosphère il y a tout de même les gaz émis par des volcans qui continuent à fonctionner, de sorte que le CO2 se renouvelle. Peu à peu l'effet de serre se reconstitue et se renforce. On pense aussi que les volcans ont pu éjecter sur la glace des aérosols qui ont pu atténuer la fonction de miroir de la glace et que peu à peu la glace, moins blanche, a réabsorbé plus de chaleur solaire. Ce ne sont toutefois là que des raisonnements théoriques qui, pour le moment, ne sont pas confirmés par des chiffres expérimentaux.
Et pourtant la Terre s'est bien déglacée… puisque nous sommes là et que la vie a pu se développer. Quoi qu'il en soit de la théorie, on pense que ce phénomène d'une glaciation totale se serait produit au moins deux fois dans l'histoire de la Terre (si ce n'est plus).

En dehors de ces épisodes de très forte glaciation, il est quasi-certain que le climat de la terre, tout au cours de son histoire, a été globalement beaucoup plus chaud qu'il ne l'est actuellement, comme cela ressort de la figure 8. Mais il n'en est plus de même pour les deux derniers millions d'années. Au cours du quaternaire, se sont produites une série de glaciations, dont des cycles de glaciation-déglaciation qui durent à peu près 100 000 ans. Depuis deux millions d'années, donc depuis que l'homme est apparu sur terre, on a une succession de période très froides qui durent à peu près 80 000 ans et de périodes inter-glaciaires qui durent environ 20 000 ans (figures 9). Succession de périodes qui a eu une très grande influence sur le destin de l'homme. Ce n'est pas un hasard si la dernière glaciation était il y a 20 000 ans et si, au moment de la déglaciation et du réchauffement terrestre, on a eu l'apparition de l'agriculture, il y a à peu près 12 000 ans.

Depuis lors, dans des temps plus récents, on a eu des variations qui, bien que moins importantes, n'en sont pas moins remarquables. Au Moyen-Age, peu avant l'an mille, le climat fut relativement doux. A cette époque, le viking Eric le Rouge a découvert le Groenland (le "pays vert"), y a fondé une colonie qui, par la suite, a périclité lorsque l'optimum climatique du Moyen-Age a pris fin. Plus tard, au moins en Europe, nous avons connu le "petit âge glaciaire". Nous voyons, dans les musées, des paysages très très blancs de la Hollande au 17ème siècle qui aujourd'hui nous étonnent.

Depuis cette époque nous sommes en période de réchauffement.

Périodes glaciaires et interglaciaires au cours de la fin du quaternaire
(depuis - 350 000 ans)
  • Antérieur à -350 000 ans : Glaciation de Mendel
  • -350 000 à -300 000 ans : Interglaciaire Mendel - Riss
  • -300 000 à -130 000 ans : Glaciation de Riss
  • -130 000 à -70 000 ans : Interglaciaire Riss - Würm
  • -70 000 à - 9 000 ans : Glaciation de Würm
  • depuis - 9 000 ans : Période tempérée "actuelle"

Pourquoi le climat varie-t-il ? Volcanisme et autres facteurs

Le volcanisme, dont le rôle est très important, a un double effet. Dans un premier temps il refroidit le climat parce qu'il éjecte dans l'atmosphère des poussières qui obscurcissent le ciel ; mais dans un deuxième temps, parce qu'il rejette aussi du CO2, il augmente l'effet de serre. On a vu ensuite l'effet de l'albédo, qui est le réfléchissemnt par les glaces du rayonnement solaire ; quand elle est importante, l'effet de serre diminue et il y a forte diminution des températures. On a vu le rôle inverse de l'altération des surfaces glaciaires par des roches et des poussières. Il y a aussi, ce qui est très important, la dérive des continents : suivant le lieu où ils se trouvent, la circulation des courants marins peut être très différente. Or les courants marins ont un rôle essentiel sur les brassages de température à la surface de la Terre et sur le climat terrestre. Suivant la disposition des continents, le climat peut être très différent.

Enfin, depuis deux millions d'années, on remarque que les variations climatiques sont dictées par les cycles astronomiques : ces cycles déterminent l'alternance des périodes glaciaires et interglaciaires observées depuis deux millions d'années. Il s'agit de cycles complexes. On sait, par exemple que le Terre ne tourne pas toujours autour du soleil selon la même orbite : selon les circonstances astronomiques, l'orbite terrestre peut être soit plus proche du cercle, soit plus elliptique, ce qui a un effet important sur la distance de la Terre au Soleil, et donc sur les climats qui en découlent. On sait également que l'axe de rotation de la Terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique ; d'où le phénomène appelé "précession des équinoxes", tel qu'à une même date de l'année la Terre n'est pas toujours au même point de son orbite. Ces cycles astronomiques qui s'emboîtent, correspondent très bien à la succession des climats depuis deux millions d'années.

Au cours de l'histoire de la Terre chacune de ces causes de variation climatique a pu être prédominante. Il y a eu des moments ou l'altération des roches était prédominante, des moments où le volcanisme était prédominant, notamment au tout début de l'existence de la Terre. En ce moment ce sont les cycles astronomiques. Il est enfin probable que l'on entre dans une nouvelle ère où ce ne seront plus ces phénomènes qui dicteront les variations du climat, mais l'activité humaine, si bien que l'on peut penser que l'on va une nouvelle fois vers l'inconnu.

Ajoutons, à propos des changements climatiques récents et pour illustrer notre propos, que, depuis que l'homme est là, au temps des dernières glaciations, le bassin parisien fut en permanence gelé : on y trouvait du permafrost. La banquise arrivait jusqu'en Europe et on y avait un paysage de taïga et de toundra avec des rennes et d'autres animaux habitués des régions polaires. A l'inverse, aux interglaciaires, on a eu de la vigne en Angleterre et on ne va pas tarder à retrouver une telle situation puisqu'on est en train d'en replanter. Il y a eu des fraises à Noël. Il faut savoir qu'entre une période glaciaire et une interglaciaire, il y a seulement, en moyenne, 5 degrés de différence. Or on prévoit pour la fin du siècle une différence de 6 degrés, chiffre de très important, dans la mesure où il s'agit d'une moyenne climatique.

La fin de la planète Terre et du système solaire

Si les changements climatiques ne nous font pas disparaître, peut-être peut-on imaginer vivre encore quelques milliards d'années ; mais pas beaucoup plus, car le Soleil finira par consommer toute son énergie. On pense que d'ici environ 7 milliards d'années, il aura fini de brûler son hydrogène ; il se contractera sur lui-même et va éjecter une grande partie de sa matière ce qui, sans doute, atteindra la Terre qui à cette époque-là sera vraisemblablement beaucoup plus chaude qu'aujourd'hui.

Le Soleil parviendra ensuite au stade de géante rouge : il y aura des réactions nucléaires d'un autre type, à partir d'espèces chimiques beaucoup plus lourdes ; le soleil deviendra énorme et englobera Mercure, Vénus et probablement la Terre, planètes qui disparaîtront. Puis, lorsque ce deuxième cycle sera terminé, le soleil se contractera à nouveau et deviendra une naine blanche qui ne sera plus très lumineuse et qui aura éjecté dans l'espace tout ce qu'elle aura produit comme corps chimiques à partir de l'hydrogène et de l'hélium. Il y aura sans doute alors, dans cette nouvelle nébuleuse, formation, de nouvelles étoiles et donc une histoire qui peut-être recommencera.

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