Terre boule de neige : le fascinant scénario reconstitué

Deux fois dans son passé, la Terre aurait connu une glaciation globale. © C&E
Deux fois depuis sa formation, notre planète a été complètement glacée, affirme une équipe internationale de chercheurs. Son étude publiée fin 2017 vient conforter l’hypothèse de la “Terre boule de neige”, née dans les années 1960.

Si des astronomes extraterrestres ont observé le Système solaire à la recherche d’une planète bleue pleine de vie, il y a de cela 2,4 milliards ou 700 millions d’années, ils ont sans doute passé leur chemin. Car, à ces deux époques, la Terre était probablement une planète blanche. Glacée des pôles jusqu’à l’équateur, elle devait ressembler à Encelade ou Europe, respectivement satellites de Saturne et de Jupiter.

Une parution récente vient conforter cette étonnante hypothèse de la « Terre boule de neige », apparue il y a près de 60 ans. En novembre 2017, une collaboration internationale a publié le bilan de plusieurs décennies de recherche sur le sujet. « Notre article reconstitue le scénario de ces deux glaciations globales. Il réunit l’ensemble des preuves collectées à ce sujet », résume Gilles Ramstein, du Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE) du CEA.

Une calotte glaciaire à l’équateur ?

Tout commence au début des années 1960. Walter Brian Harland, géologue de l’université de Cambridge, observe des traces d’anciennes calottes glaciaires sur des roches qui, il y a de cela plusieurs centaines de millions d’années, étaient situées à moins de 10° de latitude de l’équateur. À ses résultats, il ne voit qu’une explication : la Terre a connu des épisodes durant lesquels elle était totalement recouverte de glace.

Impossible, répondent à l’époque les climatologues : si tel avait été le cas, la Terre serait encore aujourd’hui un glaçon. En effet, si la planète est blanche au lieu d’être bleue, son pouvoir réfléchissant (ou albédo) augmente. Elle renvoie dans l’espace 80 % de l’énergie solaire qu’elle reçoit et ne peut donc plus se réchauffer. « Pour faire fondre toute cette glace, il faudrait une énergie colossale correspondant à une fois et demie l’énergie solaire actuelle, explique Gilles Ramstein. Or, la luminosité solaire n’augmentant que de 7 % par milliard d’années, il est impossible de sortir d’une telle glaciation avant des milliards d’années ».

Passer du bleu au blanc est tout aussi coton. Car, depuis 4,5 milliards d’années, le climat de la Terre est régulé à merveille. D’un côté, les gaz à effet de serre, produits de l’activité biologique et géologique, comme le méthane et le gaz carbonique (CO2), la réchauffent. De l’autre, les roches fixent une partie du CO2 atmosphérique, ce qui refroidit le globe. Grâce à cette mécanique bien huilée, les températures moyennes à la surface de la Terre sont toujours restées bien au-dessus de 0°C.

Aujourd’hui, les chercheurs ont compris comment cette mécanique s’est enrayée à deux reprises, et comment la Terre est parvenue à chaque fois à retrouver sa couleur bleue.

Épisode 1 : il y a 2,4 milliards d’années, la vie dérègle le climat

Remontons le temps. Il y a 3 milliards d’années, le Soleil est 20 % moins lumineux qu’aujourd’hui. Pourtant, la planète est tiède, car un important effet de serre la réchauffe. L’atmosphère contient de grandes quantités de CO2, rejeté par un volcanisme très actif, et surtout du méthane, un gaz à effet de serre 30 fois plus puissant que le CO2, émis par les archées méthanogènes (des micro-organismes unicellulaires dont le métabolisme produit du méthane).

Mais une révolution biologique se prépare : les premières cyanobactéries apparaissent. Leur métabolisme basé sur la photosynthèse produit non plus du méthane, mais de l’oxygène. La concentration de ce gaz, quasiment absent jusque-là, augmente progressivement dans l’atmosphère. Il y a 2,4 milliards d’années, l’oxygène atteint un niveau tel qu’il provoque une extinction massive, car il constitue un poison pour les archées méthanogènes.

Une fois celles-ci décimées, la concentration en méthane dans l’atmosphère chute, et la planète se refroidit. Peu à peu, les calottes polaires grandissent, ce qui augmente l’albédo de la planète et la refroidit encore davantage. La glace gagne encore du terrain jusqu’à recouvrir la quasi-totalité de la planète. La Terre connaît alors sa première glaciation globale. L’épisode va durer près de 300 millions d’années.

Sauvée par les volcans

Comment prend-elle fin ? L’énergie solaire est loin d’être assez puissante pour faire fondre ces calottes gigantesques. Dans les années 1990, les chercheurs comprennent qu’une autre énergie a sauvé la planète : celle des volcans. « Même couverte de glace, la Terre maintient une importante activité volcanique, explique Gilles Ramstein. Le CO2 ainsi dégagé s’accumule peu à peu dans l’atmosphère, jusqu’à ce que l’effet de serre soit suffisant pour contrebalancer l’albédo et provoquer une débâcle soudaine. »

En quelques centaines de milliers d’années, la Terre retrouve son bleu, ainsi que son équilibre entre sources et puits de CO2 qui contribuent respectivement à réchauffer et à refroidir la planète. Cette stabilité climatique va durer 1,5 milliard d’années. Jusqu’au prochain accident.

Épisode 2 : Il y a 800 millions d’années, le supercontinent se fragmente

Il y a 800 millions d’années, le supercontinent Rodinia, calé sur l’équateur, domine la Terre. Au gré de la tectonique, il commence à se fractionner. « Cette dislocation va se produire dans la direction est-ouest, détaille Gilles Ramstein. De ce fait, tous les morceaux vont se retrouver sous les tropiques. C’est-à-dire à l’endroit le plus chaud de la planète, où l’évaporation et donc les précipitations sont maximales. Or, en traversant l’atmosphère, les gouttes de pluie incorporent du gaz carbonique. Une fois au sol, le CO2 érode les roches et entraîne avec lui les silicates vers la mer. Puis, par le biais de réactions chimiques complexes, il se fixe au fond des mers sous forme de calcaire. »

Il y a 800 millions d’années, le supercontinent Rodinia se disloque dans la direction est-ouest.
L’augmentation des côtes va favoriser le lessivage des sols et donc la fixation dans l’océan du CO2 atmosphérique. © C&E

Ainsi, plus les pluies et les côtes marines sont nombreuses, plus le CO2 se dépose au fond des océans. « Ce captage du CO2 atmosphérique est encore plus efficace si ces roches sont constituées de basalte, souligne le chercheur. Or, à l’époque justement, des supervolcans avaient recouvert Rodinia d’épaisses couches de lave ».

Les simulations numériques conduites notamment au LSCE ont permis de mieux cerner la deuxième glaciation globale. Vers -720 millions d’années, le taux de CO2 dans l’atmosphère est alors divisé par trois. Du coup, la température moyenne à la surface baisse de plus de 10°C pour s’établir à seulement 2°C. Les mêmes causes produisant les mêmes effets, les glaciers progressent vers les latitudes basses, l’albédo augmente, la glace progresse de plus belle jusqu’à transformer une nouvelle fois la Terre en une immense boule de glace, où la température moyenne est de -40°C. Cette deuxième glaciation dure de -720 à -660 millions d’années. L’accalmie qui suit est de courte durée.

Une courte accalmie avant le retour du froid

Des preuves de calottes glaciaires à l’équateur, les chercheurs en retrouvent aussi entre -650 et -635 millions d’années. « Nous ne savons pas encore précisément la cause de ce troisième épisode, admet Gilles Ramstein, mais la mécanique céleste a sans doute joué ici un rôle ».

Trois paramètres influent en effet sur la course de la Terre autour du Soleil : l’excentricité, c’est-à-dire la forme plus ou moins allongée de l’orbite terrestre ; la direction de son axe de rotation ; et enfin l’obliquité, l’angle de son axe de rotation qui varie de 22 à 24,5° sur une période de 41 000 ans. Les variations combinées de ces trois paramètres modifient l’ensoleillement des deux hémisphères terrestres (selon des cycles théorisés dans les années 1920 par Milutin Milankovitch). Et c’est peut-être justement une baisse de l’ensoleillement qui a retardé la sortie de la glace pour la Terre.

Gelée, mais pas totalement

Comment s’en est-elle libérée ? Là aussi, le volcanisme a fini par provoquer un réchauffement en saturant l’atmosphère de CO2. Mais ce scénario pose un problème : « Si la glace avait formé une barrière totalement hermétique entre l’atmosphère et l’océan, celui-ci aurait, au moment de la débâcle, subi une violente acidification en entrant en contact avec une atmosphère surchargée en gaz carbonique, explique Gilles Ramstein. Un tel choc toxique aurait probablement annihilé toute vie, à l’époque confinée dans les océans. Or, nous ne trouvons aucune trace de pareil événement. En fait, nos modèles montrent que la Terre n’est pas totalement gelée, notamment au niveau des cheminées hydrothermales. De cette façon, des échanges ont lieu entre l’atmosphère et l’océan, celui-ci s’est acidifié très progressivement, et le choc toxique n’a pas lieu ». 

La vie a été préservée. Moins de 100 millions d’années après, elle va soudainement se diversifier lors de l’explosion cambrienne, entre -540 et -530 millions d’années. « Nous n’en avons encore aucune preuve, mais les derniers épisodes “boules de neige” pourraient avoir contribué à provoquer cette explosion sans précédent dans l’histoire de la Terre, peut-être en jouant sur la teneur en oxygène de l’atmosphère », conclut Gilles Ramstein.

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