QUAND LE NOYAU DE LA TERRE A AVALÉ SON ATMOSPHÈRE

L’atmosphère de la Terre fait figure d’exception parmi les planètes rocheuses. Vénus et Mars, malgré des pressions très différentes, ont toutes deux un air fait d’environ 95 % de dioxyde de carbone et de quelques pour cent d’azote. Celui de la Terre est pauvre en dioxyde de carbone et riche en oxygène. Une partie de la différence vient de milliards d’années de géologie et de vie. Mais les planètes ont peut-être aussi démarré avec des réserves différentes des éléments qui font les atmosphères et les êtres vivants : hydrogène, carbone et azote.

Vera Sparrman, de l’université de Copenhague, et Anders Johansen, de Copenhague et de l’université de Lund (Suède), sont remontés tout au début : l’époque où la Terre grandissait encore, dans le disque de gaz et de poussière qui entourait le jeune Soleil.

Une pluie de fer dans une mer de magma

À ce stade, la chaleur libérée par la matière qui arrivait gardait le manteau en fusion. La Terre en croissance était enveloppée d’un océan de magma global. Chaque nouvel apport amenait de la roche, qui rejoignait le magma, et du métal fer-nickel, qui le traversait en gouttelettes — tombant à environ un mètre par seconde — pour bâtir le noyau. Les gaz de l’atmosphère se dissolvaient dans le magma, et certains se dissolvaient à leur tour dans le métal qui tombait. La pluie de fer pouvait donc les entraîner jusqu’au fond.

Les auteurs ont modélisé cet échange entre atmosphère, océan de magma et noyau, couche par couche, d’un germe de 2 % de la masse terrestre jusqu’à 64 % — en gros la proto-Terre d’avant l’impact géant qui a formé la Lune. Les quantités totales d’hydrogène, de carbone et d’azote ont été calées sur les estimations pour la Terre actuelle, y compris celles qu’on pense cachées dans son noyau.

Deux façons de bâtir une planète

Ils ont comparé deux modes de croissance :

• L’accrétion de cailloux : la Terre ramasse des cailloux de quelques millimètres à quelques centimètres. Quand les environs de la planète chauffent, ces petits grains perdent leurs ingrédients volatils avant d’arriver. L’hydrogène cesse d’arriver presque tout de suite ; le carbone et l’azote vers la masse de Mars. Les volatils arrivent tôt.
• L’accrétion de planétésimaux : la Terre grandit à partir de corps de plusieurs centaines de mètres ou plus, qui protègent leurs volatils à l’intérieur. La livraison est continue.

Arrivés tôt, enfouis profond

Le calendrier s’est révélé décisif. Avec une livraison précoce, chaque goutte de métal qui tombe ensuite continue de lessiver le magma. Dans le scénario des cailloux, environ 70 % de l’hydrogène et 69 % du carbone finissent dans le noyau. Avec une livraison continue, le noyau en prend au plus la moitié environ, et le manteau et l’atmosphère en gardent à peu près deux fois plus. Ces parts sont celles du jeu de mesures de laboratoire que les auteurs prennent comme référence ; on verra plus loin qu’un autre jeu donne des chiffres très différents.

Où finissent l’hydrogène, le carbone et l’azote quand une proto-Terre bâtie de cailloux passe de 0,02 à 0,64 masse terrestre : noyau (rouge sombre), océan de magma (orange), atmosphère (bleu). — Figure 4 (rangée du haut), Sparrman et Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

La solubilité — la quantité d’un gaz que le magma peut dissoudre à une pression donnée — décide qui s’échappe : seul ce qui est dissous dans le magma peut être capté par les gouttes de métal qui le traversent. L’eau se dissout facilement : l’hydrogène est exposé à la pluie de fer et sombre efficacement. Le monoxyde de carbone se dissout bien moins bien, de sorte qu’à chaque instant l’essentiel du carbone reste dans l’air ; mais tout le métal qui arrive ensuite vide la part dissoute, que l’atmosphère reconstitue aussitôt, et au bout du compte 69 % du carbone est tout de même descendu. L’azote est le contre-exemple : il a plus d’affinité pour le métal que l’hydrogène, et pourtant 4 % seulement atteignent le noyau — il se dissout si mal qu’il n’est presque jamais là où la pluie de fer passe, et 93 % restent dans l’atmosphère. L’insolubilité protège.

Un ciel lourd de monoxyde de carbone

Ce qui reste à la fin du scénario des cailloux est une épaisse atmosphère primitive d’environ 760 bars — l’air que nous respirons pèse 1 bar au niveau de la mer, et celui de Vénus 92 bars. Elle est dominée par le carbone, surtout sous forme de monoxyde de carbone (environ 710 bars), avec environ 39 bars d’hydrogène et 1,7 bar d’azote. Le carbone qui a échappé au noyau et qui se retrouve dans cette atmosphère représente environ 15 fois le dioxyde de carbone de l’atmosphère actuelle de Vénus ; l’azote, à peu près autant que l’azote de Vénus. Le scénario des planétésimaux donne un ciel encore plus lourd, environ 1 350 bars, de composition semblable.

L’atmosphère de la proto-Terre bâtie de cailloux au fil de sa croissance : une fois les livraisons arrêtées, la pluie de fer continue de drainer hydrogène et carbone, et le monoxyde de carbone (tirets rouges) domine. — Figure 7 (haut), Sparrman et Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

Après la fin de l’accrétion, les auteurs s’attendent à ce que le manteau s’oxyde et que l’atmosphère bascule vers l’eau et le dioxyde de carbone, avec la condensation d’océans. Extrapolé à la masse de Vénus, le modèle donne un départ semblable, environ 500 bars de monoxyde de carbone ; les auteurs suggèrent que la tectonique des plaques de la Terre, en enfouissant le carbone, plutôt qu’une naissance différente, pourrait expliquer la divergence des deux planètes.

Comment la Terre a-t-elle grandi ?

En principe, les quantités restantes pourraient révéler comment la Terre s’est formée. Le modèle des cailloux avec les données de référence est le seul compatible avec les estimations publiées pour les trois éléments dans le manteau actuel. Mais ces estimations divergent entre elles à peu près autant que les modèles, et les mesures de laboratoire sur la répartition de ces éléments entre métal et roche diffèrent de plusieurs ordres de grandeur — avec un autre jeu de données, tout l’hydrogène finit dans le noyau. La solubilité du monoxyde de carbone dans le magma est le paramètre le plus influent et le moins bien connu. De meilleures expériences, concluent les auteurs, pourraient faire de la composition de l’intérieur de la Terre une archive de la façon dont elle s’est construite.