La Terre est constituée d’environ 29 % de terres et 71 % d’océans. Quelle est l’importance de ce mix pour l’habitabilité ? Que nous apprend-il sur l’habitabilité des exoplanètes ?
Il y a très peu d’endroits sur Terre où la vie n’a pas pris pied. De multiples facteurs contribuent à l’habitabilité globale de notre planète : eau liquide abondante, tectonique des plaques, composition volumique, proximité du soleil, de la magnétosphère, etc.
Quel rôle joue le rapport des océans à la terre ?
Notre compréhension de l’habitabilité est assez grossière à ce stade, bien qu’elle soit basée sur des preuves. Nous nous appuyons sur la zone habitable autour des étoiles pour localiser les exoplanètes potentiellement habitables. C’est un facteur facile à déterminer à grande distance et basé sur le potentiel d’eau liquide sur les planètes.
Nous dessinons toujours une image plus grande et plus détaillée de l’habitabilité, et nous savons que des choses comme la tectonique des plaques, la composition en vrac, une magnétosphère, la composition et la pression atmosphériques, et d’autres facteurs jouent un rôle dans l’habitabilité. Mais qu’en est-il du rapport des océans à la terre d’une planète ?
Une nouvelle étude examine ce ratio en détail. L’article a été soumis au journal Astrobiologie et est disponible sur le site de prépublication arXiv. Il n’a pas encore été évalué par les pairs.
Les auteurs sont Dennis Höning et Tilman Spohn. Höning est du Potsdam Institute for Climate Impact Research en Allemagne, où il se concentre sur l’interface entre la physique planétaire et les sciences du système terrestre. Spohn est le directeur exécutif de l’Institut international des sciences spatiales à Berne, en Suisse. Spohn était également le chercheur principal de l’instrument « taupe » de l’atterrisseur InSight, le Heat Flow and Physical Properties Package (HP3.)
La tectonique des plaques et les facteurs connexes sont à l’origine du problème. La tectonique des plaques est le mouvement des plaques continentales à la surface de la Terre lorsqu’elles chevauchent le manteau. La tectonique des plaques est toujours un domaine de recherche actif, et même avec tout ce que nous avons appris, il y a encore beaucoup de choses que les scientifiques ne savent pas.
L’un des facteurs critiques de la tectonique des plaques est le principe du « tapis roulant ». Il dit que lorsque les plaques sont replongées dans le manteau aux limites convergentes des plaques, une nouvelle croûte océanique est créée aux limites divergentes, appelée propagation du fond marin. Le résultat est que le rapport terre-océan de la Terre reste constant.
Ce ratio restant constant, d’autres facteurs restent également cohérents. Et si ces facteurs favorisent la biosphère, c’est bon pour l’habitabilité. L’une de ces choses est les nutriments.
Les terres exposées sont sujettes aux intempéries, qui déplacent les nutriments dans le monde entier. Les plateaux continentaux de la Terre sont des zones biologiquement riches. L’une des raisons est que tout le ruissellement des nutriments des continents finit sur les étagères. Ainsi, les continents et leurs plateaux contiennent la majeure partie de la biomasse terrestre, alors qu’il y en a beaucoup moins dans l’océan profond.
La chaleur est un autre facteur de la tectonique des plaques et de l’habitabilité. Les continents agissent comme une couverture sur le manteau, aidant la Terre à retenir la chaleur. Mais cet effet de couverture est modéré par l’épuisement des éléments radioactifs dans le manteau. La désintégration radioactive d’éléments comme l’uranium dans le manteau crée de la chaleur qui est piégée par l’effet de couverture des continents. Dans le même temps, le renouvellement de la croûte par la tectonique apporte davantage de ces éléments à la croûte, où leur chaleur est plus efficacement évacuée.
Le cycle du carbone de la Terre est également essentiel au maintien de la vie. Ce cycle est affecté par la tectonique des plaques et aussi par le rapport terre-océan. L’altération des continents élimine le carbone de l’atmosphère à peu près en équilibre avec le carbone émis par le manteau par les volcans.
Ensuite, il y a la teneur en eau dans le manteau. Plus d’eau dans le manteau abaisse la viscosité du manteau, définie comme la résistance à l’écoulement. La teneur en eau du manteau fait partie d’une boucle de rétroaction avec la température du manteau. Plus l’eau pénètre dans le manteau, plus elle s’écoule plus facilement. Cela augmente la convection, ce qui libère plus de chaleur du manteau.
Comme l’explique le document, tous ces facteurs sont liés, généralement dans des boucles de rétroaction.
Tous ces facteurs et d’autres se combinent sur Terre pour créer une habitabilité robuste. Si le rapport terre/eau de la Terre était biaisé vers plus de terres, alors le climat serait beaucoup plus sec, et de grandes parties des continents pourraient être des déserts froids et secs, et la biosphère pourrait ne pas être assez grande pour produire une atmosphère riche en oxygène.
À l’inverse, s’il y avait beaucoup plus d’eau, il peut y avoir un manque de nutriments dû à l’altération continentale. Ce manque de nutriments interdit également une biosphère suffisamment grande pour produire l’atmosphère riche en oxygène nécessaire à une vie complexe et une biosphère plus riche.
Il y a une quantité extraordinaire de détails dans la tectonique de la Terre, et il est impossible de tout modéliser. D’autant plus que les scientifiques ne sont pas parvenus à un consensus sur de nombreux détails. Une grande partie est cachée aux chercheurs. Ils n’ont pas encore assez de preuves pour tirer des conclusions solides.
Cette étude s’est appuyée sur la modélisation scientifique pour comprendre comment les planètes ont des rapports terre-océan différents. Höning et Spohn ont modélisé les trois principaux processus qui créent le rapport terre-océan : croissance de la croûte continentale, échange d’eau entre les réservoirs à la surface et au-dessus (océans, atmosphère) et dans le manteau, et refroidissement par convection du manteau.
Du papier:
« Ces processus sont liés par la convection du manteau et la tectonique des plaques avec :
Les auteurs sont parvenus à une conclusion fondamentale. « … la propagation de la couverture continentale sur des planètes semblables à la Terre est déterminée par les forces respectives des rétroactions positives et négatives dans la croissance continentale et par la relation entre la couverture thermique et l’épuisement des isotopes radioactifs lors de la croissance de la croûte continentale », écrivent-ils. « L’incertitude dans ces valeurs de paramètres représente la principale incertitude du modèle. »
Ces boucles de rétroaction seront présentes sur n’importe quelle planète avec une activité tectonique et de l’eau. La force relative de ces boucles est difficile à quantifier. Il y a probablement un nombre ahurissant de facteurs en jeu dans la population d’exoplanètes.
Aucun chercheur ne peut modéliser chaque facteur, mais cette recherche se résume aux boucles de rétroaction entre tous les facteurs et à leur caractère positif ou négatif. Une forte rétroaction négative « … conduirait à une évolution largement indépendante des conditions de départ et de l’histoire ancienne de la planète, ce qui impliquerait une seule valeur actuelle stable de la surface continentale », concluent-ils.
De fortes boucles de rétroaction positive créent cependant des résultats différents. « Pour une rétroaction positive forte, cependant, le résultat de l’évolution peut être assez différent selon les conditions de départ et les débuts de l’histoire », écrivent-ils.
La question est : ces mêmes boucles de rétroaction façonnent-elles les exoplanètes ? Les exoplanètes à tectonique des plaques peuvent-elles aussi atteindre un équilibre entre la couverture terrestre et océanique ? Une planète à peu près de la taille de la Terre et avec un budget thermique similaire finira-t-elle par ressembler à la Terre, avec sa stabilité vitale ?
Tout d’abord, la recherche montre que les planètes terrestres et les planètes océaniques sont toutes deux possibles, ce qui ne devrait pas surprendre. Et, bien sûr, nous savons que des planètes mixtes comme la Terre sont possibles.
Dans un précédent article de Physique de la Terre et intérieurs planétaires, la même paire d’auteurs a conclu que les planètes terrestres sont le résultat le plus probable. Le prochain résultat le plus probable est les planètes océaniques.
Les auteurs soulignent qu’il y a des incertitudes dans tout ce travail, bien sûr, et qu’il y a un manque de données. Pourtant, leurs travaux mettent en lumière les mécanismes qui créent différents rapports terre/océan sur les planètes. « Notre discussion vise à fournir une meilleure compréhension qualitative des processus de rétroaction ; nous admettons manquer de données pour une compréhension détaillée des différences quantitatives », écrivent-ils.
D’autres chercheurs se sont également penchés sur ce problème. Une étude de 2015 a examiné les planètes autour des naines M, le type d’étoile le plus courant dans la Voie lactée, et où nous sommes susceptibles de trouver le plus d’exoplanètes. Cette étude a révélé « … une distribution bimodale similaire de la zone terrestre émergée, la plupart des planètes ayant soit leur surface entièrement recouverte d’eau, soit avec beaucoup moins d’eau de surface que la Terre », écrivent les auteurs. Cette étude, cependant, a examiné d’autres facteurs et n’était pas uniquement axée sur la croissance continentale.
Que signifie cette étude pour la Terre ? Comment pouvons-nous répondre à la question du titre : « Quel est le meilleur mélange d’océans pour atterrir sur une planète habitable ? »
Aussi anthropocentrique ou terracentrique que cela puisse paraître, nous pourrions vivre de la réponse.
Plus d’information:
Dennis Höning et al, Land Fraction Diversity on Earth-like Planets and Implications for their Habitability, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2211.09473
Dennis Höning et al, Croissance continentale et hydratation du manteau en tant que cycles de rétroaction entrelacés dans l’évolution thermique de la Terre, Physique de la Terre et intérieurs planétaires (2016). DOI : 10.1016/j.pepi.2016.03.010