Précambrien - Climat et variations climatiques
CLIMATOLOGIE
Le Précambrien (superéon)
Le Précambrien, désigné comme superéon, représente une vaste période de temps précédant le Cambrien. Il s'étend ainsi de la formation de la planète il y a environ 4,6 milliards d'années (Ga) jusqu'à l'apparition des premiers organismes pluricellulaires il y a environ 541 millions d'années (Ma).
Le Précambrien, qui voit la mise en place des continents, des océans, de la tectonique des plaques et de la vie, représente à lui seul près de 90 % de l'histoire de la Terre. Il est divisé en trois éons : l'Hadéen, l'Archéen et le Protérozoïque.
Au cours du Précambrien, la tectonique des plaques était encore en cours de formation et les continents étaient en train de se former à partir de roches magmatiques et de sédiments marins qui s'accumulaient sur la croûte terrestre.
Formation de la Terre
La formation de la Terre remonte à environ 4,6 milliards d'années, à l'époque où un nuage de gaz et de poussières tournoyait autour d'une jeune étoile, notre Soleil. Au commencement, il y avait une vaste nébuleuse, composée principalement d'hydrogène et d'hélium. Sous l'effet de la gravité et de la force centrifuge, cette nébuleuse s'est aplatie en un disque tourbillonnant, appelé disque protoplanétaire. Ce disque n'était pas uniforme : les parties proches du Soleil tournaient plus vite que les parties éloignées, créant une zone d'accrétion intense.
Dans ce disque protoplanétaire, des grains de poussière se sont agglomérés sous l'effet de la gravité, donnant naissance à de petits corps rocheux appelés planétoïdes. Ces planétoïdes ont grossi par collisions et accrétion de poussière et de gaz, s'entrechoquant violemment et générant des corps de plus en plus grands. Notre Terre s'est formée par l'accrétion de ces planétoïdes et d'autres matériaux dans la partie interne du disque protoplanétaire. Ce processus a duré environ 30 millions d'années. La Terre primitive était une boule de roche en fusion, bombardée par des impacts d'astéroïdes et de comètes.
Au fur et à mesure que la Terre se refroidissait, sa surface s'est solidifiée, formant une croûte primitive. Les éléments les plus denses, comme le fer et le nickel, ont migré vers le centre sous l'effet de la gravité, formant le noyau. Les éléments plus légers, comme le silicium et l'aluminium, se sont rassemblés pour former le manteau. Quant aux gaz volatilisés, tels que l'eau et le dioxyde de carbone, ils se sont dégazés pour former l'atmosphère primitive.
Climat global du précambrien
Les conditions climatiques ont fortement évolué au cours des trois éons qui composent ce superéon long d'environ 4 milliards d'années !
Au Précambrien, le climat de la Terre était régulé par plusieurs facteurs, notamment les émissions volcaniques, les bombardements météoriques, les variations de l'activité solaire, les changements dans la composition de l'atmosphère et les mouvements tectoniques. Ces facteurs ont conduit à des fluctuations de la température et des niveaux de gaz à effet de serre, qui ont eu des conséquences importantes sur la géologie, la biologie et la chimie de la Terre.
L'éon Hadéen et son climat
L'éon Hadéen, également connu sous le nom de l'Hadéen, constitue le premier éon de l'histoire de la Terre. Il s'étend de la formation de la Terre par accrétion il y a environ 4,6 milliards d'années (Ga) pour se terminer autour de −4 Ga.
Pendant cet éon d'environ 600 millions d'années (Ma), la Terre était encore en formation et subissait une intense activité volcanique et météoritique. Les roches les plus anciennes connues sur Terre datent de cette époque, et elles sont principalement composées de basalte et de granite. Il n'y avait pas de continents pendant l'éon Hadéen. Au lieu de cela, la surface de la Terre était recouverte par des océans de magma.
Les scientifiques pensent que la température à la surface de la Terre était alors probablement supérieure à 1 500 °C. L'atmosphère et les océans se seraient formés au cours de la dernière partie de l'éon.
L'hypothèse de l'impact géant
On pense également que la Lune se serait formée durant l'Hadéen, il y a environ 4,5 Ga. La principale hypothèse avance qu'une collision entre la proto-Terre et une proto-planète (Théia) de la taille de la planète Mars aurait formé la Lune.
Selon les chercheurs, Théia se serait formée dans la même région du système solaire que la Terre, mais avec une orbite instable. Finalement, cette planète errante aurait croisé la Terre dans un impact cataclysmique !
L'énorme énergie libérée lors de la collision aurait entraîné la fusion des matériaux des deux corps célestes. Les débris résultants de cette collision se seraient ensuite regroupés pour former un disque de débris en orbite autour de la Terre. Ce disque se serait progressivement aggloméré pour former la Lune. Théia aurait également apporté de l'eau à la Terre.
L'atmosphère primitive de l'Hadéen
Le dégazage du magma ou des roches sous l'océan magmatique débute et crée l'atmosphère initiale, dite primitive.
L'atmosphère primitive, particulièrement épaisse de la Terre, était composée principalement de gaz volcaniques tels que l'ammoniac (NH₃), le méthane (CH₄), le dioxyde de carbone (CO₂) et l'azote (N₂). L'oxygène libre (O₂) était pratiquement absent. La température et la pression atmosphérique étaient tellement élevées que l'eau était présente uniquement sous forme de vapeur d'eau (H₂O), des conditions probablement assez similaires à celles observées aujourd'hui sur la planète Vénus. Certains scientifiques pensent également que la glace, délivrée par les impacts de comètes, aurait pu fournir à la planète de la vapeur d'eau supplémentaire.
Lorsque la température a suffisamment diminué, la vapeur d'eau est passée à l'état liquide entraînant une baisse de la pression atmosphérique et de l'effet de serre. En effet, une grande partie de la vapeur d'eau dans l'atmosphère se serait ainsi condensée pour former des nuages et de la pluie qui auraient laissé d'importants dépôts d'eau liquide à la surface de la Terre. Cette eau aurait alors entraîné avec elle une partie du dioxyde de carbone qui allait se retrouver piégé dans les premières roches sédimentaires de type carbonaté. Très progressivement, la température du sol a baissé provoquant un refroidissement de l'atmosphère et la formation des océans.
Vue d'artiste de la formation de la Terre à l'Hadéen
Malgré ces conditions climatiques infernales, l'Hadéen est considéré comme une période cruciale de l'histoire de la Terre. En effet, c'est pendant cette période de formation que notre planète a commencé à acquérir les conditions nécessaires à l'apparition de la vie.
La théorie du grand bombardement tardif
Le grand bombardement tardif (ou Late Heavy Bombardment en anglais) est un événement théorique qui se serait déroulé de -4,1 à -3,9 milliards d'années. Une période durant laquelle la Terre et les autres planètes telluriques du système solaire auraient subi un intense de bombardement météoritique.
Selon cette hypothèse, le grand bombardement tardif aurait été déclenché par des perturbations gravitationnelles dans le système solaire, peut-être causées par les mouvements des planètes géantes comme Jupiter et Saturne. Ces perturbations auraient dirigé un grand nombre de corps célestes vers le système solaire intérieur, provoquant ainsi une période de bombardement météoritique intensive.
Les conséquences de cet événement hypothétique auraient été importantes sur la Terre. Les impacts de météorites auraient créé de vastes cratères et enclenché des éruptions volcaniques massives. Ces impacts auraient également libéré de grandes quantités d'énergie, avec pour conséquences des conditions difficiles pour l'émergence de la vie sur Terre.
L'éon Archéen et son climat
Pendant l'Archéen, de -4 à -2,5 milliards d'années, la Terre était encore en formation et subissait de nombreux événements cataclysmiques, notamment des impacts de météorites et une intense activité volcanique. Les premiers continents ont commencé à se former à cette époque, et la vie est apparue sous forme de bactéries et d'autres organismes unicellulaires.
L'atmosphère archéenne
L'atmosphère était dominée par des gaz tels que le méthane, l'ammoniac et le dioxyde de carbone. L'absence d'oxygène dans l'atmosphère signifiait également que les rayons ultraviolets du soleil étaient particulièrement intenses, ce qui rendait la surface de la Terre inhospitalière pour la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.
Les émissions volcaniques étaient également très importantes à cette époque et ont contribué à la formation de vastes plaines de lave et de montagnes. Les fluctuations de l'activité solaire ont également joué un rôle important dans la régulation du climat, avec des périodes d'intense activité solaire qui ont maintenu des températures particulièrement élevées sur la Terre. De nos jours, la plupart des études estiment que les températures moyennes à la surface de la Terre oscillaient entre 40 et 80 °C. Bien que le Soleil était de 25 à 30 % moins lumineux qu'aujourd'hui (paradoxe du jeune Soleil faible), les températures élevées s'expliquent principalement par la présence importante de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Vue d'artiste d'un paysage archéen par Tim Bertelink
Le paradoxe du jeune Soleil faible
Le paradoxe du jeune Soleil faible constitue une énigme majeure en géologie et en climatologie. Il s'agit de la contradiction apparente entre les modèles astrophysiques qui prédisent un Soleil bien moins lumineux au début de l'histoire du système solaire et les preuves géologiques attestant de la présence d'eau liquide à la surface de la Terre à cette époque. En effet, un Soleil moins brillant devrait entraîner une température globale bien inférieure au point de congélation de l'eau, rendant impossible l'existence d'océans liquides et, par conséquent, l'émergence de la vie.
Pour résoudre ce paradoxe, les scientifiques ont proposé diverses hypothèses, notamment un effet de serre renforcé par une atmosphère riche en gaz à effet de serre, une activité volcanique intense libérant de la chaleur et des gaz, ou encore une chaleur interne terrestre plus importante. La compréhension de ce paradoxe est essentielle pour percer les mystères de l'évolution du climat terrestre et des conditions d'apparition de la vie.
La formation des premiers supercontinents à l'Archéen
La Terre était couverte d'océans et de mers peu profondes. Les premiers continents se sont formés à partir de roches magmatiques qui se sont solidifiées dans les zones de subduction où les plaques tectoniques plongent sous la croûte terrestre.
Les roches ont été ensuite déformées et métamorphisées par la pression et la chaleur formant ainsi les premiers noyaux continentaux appelés cratons.
L'éon Archéen a vu la formation de trois supercontinents :
- Vaalbara, il y a environ 3,6 milliards d'années (Ga) ;
- Ur, il y a environ 3 milliards d'années (Ga) ;
- Kenorland, il y a environ 2,7 milliards d'années (Ga).
Le premier supercontinent terrestre Vaalbara
Un craton, c'est quoi exactement ?
Un craton est une vaste et ancienne zone stable de la croûte terrestre qui forme le noyau d'un continent. Il se compose de deux parties principales : le bouclier, où les roches très anciennes affleurent à la surface, et la plate-forme, où ces roches sont recouvertes par des couches de sédiments plus jeunes. Les cratons sont des témoins géologiques importants, car ils sont les parties les plus anciennes et les plus stables de la croûte terrestre, fournissant des informations clés sur l'histoire et la formation des continents.
L'éon Protérozoïque et son climat
Le Protérozoïque s'étend de -2,5 milliards d'années à -541 millions d'années. Il couvre à lui seul près de la moitié du temps d’existence de la planète Terre. La première moitié du Protérozoïque a été marquée par une forte activité tectonique et volcanique conduisant à la formation de vastes chaînes de montagnes et de plaines sédimentaires.
C'est également pendant cet éon que les premières formes de vie pluricellulaires ont évolué, notamment les premiers animaux invertébrés.
L'atmosphère du Protérozoïque
Au Protérozoïque, l'atmosphère a commencé à se stabiliser. La température moyenne de la Terre a diminué progressivement par rapport à l'Archéen.La Grande Oxydation
Il y a environ 2,4 milliards d'années s'est produit un événement majeur de l'histoire de la Terre, nommé "La Grande Oxydation". Elle est caractérisée par une augmentation importante du taux d'oxygène dans l'atmosphère terrestre, un taux suffisamment élevé pour oxyder la surface de la Terre et les océans.En effet, au début du Précambrien, l'atmosphère était principalement composée de gaz volcaniques comme le dioxyde de carbone, l'azote, l'ammoniac et le méthane, avec une quantité infime d'oxygène libre. La photosynthèse des cyanobactéries a fortement augmenté la concentration en oxygène.
Cette augmentation de l'oxygène a également contribué à la formation d'une couche d'ozone protectrice dans l'atmosphère, qui a permis à la vie de se développer sur Terre. Cependant, l'oxydation a également eu des effets négatifs, comme la destruction de certaines formes de vie anaérobies particulièrement sensibles à l'oxygène.
Les premiers épisodes glaciaires de la Terre au Protérozoïque
Durant la seconde moitié du Protérozoïque, le climat de la Terre est devenu plus stable et plus froid. Un changement climatique qui a conduit à la formation de vastes calottes glaciaires sur les pôles de la Terre. Cet épisode froid a eu un impact significatif sur la chimie de l'océan et la circulation des courants océaniques, avec une diminution de la salinité de l'eau de mer en raison de la formation de glace. Les fluctuations du niveau de la mer ont également eu des conséquences importantes sur la géologie de la Terre, avec la formation de vastes bassins sédimentaires et de montagnes.
La théorie de la Terre boule de neige
La théorie de la Terre boule de neige (ou "Snowball Earth" en anglais) suggère que la Terre a connu des périodes de glaciation intense et globale au cours de son histoire, au point que la glace aurait recouvert la quasi-totalité de la planète, y compris les zones équatoriales.
La théorie de la Terre boule de neige concerne principalement les trois période glaciaire globales du Protérozoïque. La théorie de la Terre boule de neige reste un sujet de débat scientifique, car certaines preuves semblent contredire cette hypothèse.
La glaciation huronienne
La première s'est produite aux alentours de −2,4 milliards d'années et est connue sous le nom de glaciation huronienne. Elle a duré environ 300 millions d'années. Elle a été provoquée par le lent appauvrissement de l'atmosphère en dioxyde de carbone.
La glaciation sturnienne
Il y a environ 750 à 635 millions d'années, la Terre a connu une seconde période de glaciation majeure, connue sous le nom de glaciation sturtienne.
Cette période de glaciation, qui a duré environ 25 millions d'années, a été marquée par la formation de vastes calottes glaciaires jusqu'à l'équateur. Pratiquement toute la surface de la Terre était couverte de glaces. Les températures de surface de la Terre ont chuté jusqu'à environ -50 °C.
La glaciation marinoenne
La glaciation marinoenne a débuté il y a environ 640 millions d'années, peu de temps avant l'explosion cambrienne de la biodiversité. Pendant cette période, qui a duré environ 15 millions d'années, la Terre était principalement recouverte d'océans, mais la glace s'est étendue jusqu'aux latitudes tropicales.
La valse des continents au Protérozoïque
Il y a environ 2,5 milliards d'années, les continents étaient regroupés en un supercontinent appelé Columbia (ou Nuna). Puis, il a commencé à se fragmenter il y a environ 1,8 milliard d'années en créant de vastes bassins océaniques qui ont commencé à se remplir d'eau.
Il y a environ 1,1 milliard d'années, la majeure partie des continents de la Terre étaient regroupés en un autre supercontinent appelé Rodinia. Puis, il a également commencé à se fragmenter il y a près de 750 millions d'années donnant naissance à de nouveaux océans et à des terres émergées plus petites.
L'extinction de l'Ediacarien
Il y a environ 580 millions d'années s'est produite l'une des extinctions les plus importantes du Précambrien : l'extinction de l'Ediacarien. Cette extinction a été associée à des changements climatiques et environnementaux importants, tels que des épisodes de froid et des changements dans la composition chimique de l'océan. Elle a conduit à la disparition de la plupart des animaux de la Faune de l'Édiacarien, composée d'organismes marins pluricellulaires.
Cette faune disparut en grande partie simultanément avec l'apparition rapide de la biodiversité au Cambrien (première période géologique du Paléozoïque) connue sous le nom d'explosion cambrienne.