Le livre - Chapitres 1 à 8
Dans les huit premiers chapitres de notre livre Earth, Our Living Planet, nous révélons des connexions cachées entre les organismes et plusieurs aspects uniques de la Terre : position dans le Système Solaire, atmosphère, environnement accueillant, variations à long terme du climat, eau liquide, gravitation, effet de serre naturel, tectonique des plaques et champ magnétique.
1. La Terre au sein du Système Solaire et de l'Univers
La Terre Vivante (Living Earth) est notre demeure dans le Système Solaire et dans l'Univers. Le chapitre 1 du livre décrit comment les organismes et les écosystèmes sont connectés aux compartiments non vivants de la planète (atmosphère, océan), le Système Solaire et l'Univers. Par exemple, une grande partie de l'eau terrestre, essentielle aux organismes, peut avoir été apportée de très loin dans le Système Solaire par des impacts entre protoplanètes lors de la formation de la Terre et/ou, plus tard, par des astéroïdes et des comètes. De plus, des éléments chimiques nécessaires à la vie, tels que le carbone, ont été forgés dans des étoiles des milliards d'années avant la formation du Soleil et de la Terre.
​
La co-évolution de la Terre et de ses organismes a créé le système d'ensemble de la Terre appelé Living Earth, qui existe depuis 2,5 milliards d'années et qui est marqué par le développement de régulations globales comme celle de la teneur en oxygène de l'atmosphère. Living Earth est la dernière de trois phases. La première a été exclusivement minérale (Mineral Earth), a duré de 4,5 à 4,0 milliards d'années avant le présent et a été caractérisée par la réduction de l'énorme effet de serre de la première atmosphère. La seconde phase (Cradle Earth, ou « Berceau ») a duré de 4,0 à 2,5 milliards d'années avant le présent, a été caractérisée par l'émergence et les évolutions des premiers organismes en l’absence d’oxygène, dont le début de la photosynthèse.
Grandes divisions de l'histoire de l'Univers (incluant le Système Solaire) importantes pour les organismes et les écosystèmes. Les grandes divisions géologiques de l'histoire de la Terre sont regroupées ici en trois phases : Mineral, Cradle et Living Earth. Ga : milliards d'années.
2. L'atmosphère et les caractéristiques astronomiques de la Terre
L'atmosphère terrestre est unique parmi celles des corps célestes du Système Solaire. Dans le chapitre 2 du livre Earth, Our Living Planet, nous décrivons les liens de l'atmosphère avec la masse de la Terre et sa distance au Soleil. Nous expliquons comment ces deux caractéristiques ont contribué à l’acquisition et à la préservation de l’atmosphère terrestre.
​
La formation d'un océan liquide dès le début de l'histoire de la Terre a limité la perte d’eau. Si l'eau était restée sous forme de vapeur dans l'atmosphère, elle aurait été dissociée par le rayonnement solaire et l’hydrogène qui la constitue aurait progressivement été perdu vers l’espace. La présence continue de gaz carbonique dans l'atmosphère terrestre a toujours maintenu un effet de serre modéré favorable aux organismes. Toutefois, de fortes concentrations de gaz carbonique dans l'atmosphère sont nuisibles aux organismes et aux écosystèmes, comme c'est le cas sur Vénus où l'atmosphère est dominée par le gaz carbonique et où la température de surface de 462 °C (expliqué dans le Chapitre 5).
Masse et distance au Soleil des corps planétaires avec une atmosphère ou une atmosphère très raréfiée appelée « exosphère ». Le diagramme montre que la présence d'une atmosphère sur un corps planétaire est liée à une combinaison spécifique de sa masse et de sa distance au Soleil.
3. L’habitabilité de la Terre et son mouvement astronomique
L'habitabilité d'une planète est sa capacité à créer des environnements favorables aux organismes. Le chapitre 3 du livre examine les conditions qui contrôlent la température et déterminent ainsi l'habitabilité thermique de la planète. Ces conditions sont notamment liées à la rotation de la Terre sur elle-même qui renouvelle rapidement les surfaces exposées au soleil ainsi qu’à la stabilité de l’inclinaison de l’axe de rotation et au mouvement de la Terre autour du Soleil qui régissent le cycle des saisons.
​
L'atmosphère terrestre et la distance de la planète au Soleil contribuent au contrôle à long terme de la température. Par ailleurs, la formation du système Terre-Lune il y a 4,5 milliards d'années a probablement contribué à favoriser des conditions climatiques propices aux organismes. Par suite des variations latitudinales, diurnes et saisonnières du flux de rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre et des effets combinés des circulations atmosphérique et océanique sur la redistribution de la chaleur sur la planète, celle-ci a toujours offert des milieux habitables même pendant des périodes exceptionnellement chaudes ou froides.
Bilan radiatif du Système Terre. La majeure partie de l'énergie qui alimente le Système Terre provient du Soleil et la composante géothermique issue de l'intérieur de la Terre est relativement très faible.
4. L’influence des processus géologiques et astronomiques sur le milieu terrestre
L'habitabilité globale de la Terre est la proportion de sa surface qui est habitable. Nous montrons, dans le chapitre 4 du livre, que l'habitabilité globale de la Terre est liée à des événements et processus géologiques et astronomiques. L'étendue des environnements habitables a varié au cours de l'histoire de notre planète, mais jamais au point de menacer la vie. Cependant, il y a eu des périodes où une moindre habitabilité a causé une mortalité massive d'espèces, comme en témoignent les cinq extinctions massives des 500 derniers millions d'années.
​
L'habitabilité globale de la Terre est naturellement affectée par les grandes éruptions volcaniques, les périodes glaciaires et les épisodes « boule de neige » au cours desquels la planète a été entièrement ou en grande partie recouverte de glace pendant des millions d'années. Elle est également affectée par les modifications des teneurs de gaz atmosphériques provenant de l'activité humaine (appelées « anthropiques »). L’émission anthropique de gaz carbonique est dix fois plus rapide que celles des processus naturels au cours des 66 derniers millions d'années, ce qui a provoqué une augmentation de la température mondiale de plus de 1 °C depuis 1900. Il est prévu que les changements actuels auront des effets à long terme sur l’habitabilité globale de la planète
Changement dans l'emplacement des pins (cartes du haut) et de la végétation des prairies hors graminées (cartes du bas) en Amérique du Nord de -21 000 ans à aujourd'hui. Surface bleu pâle uni : calotte glaciaire. Intensité de couleur croissante : concentration croissante de pollen dans les sédiments, qui indique l'abondance de l'espèce dans une zone donnée. Adapté d'une image de la NASA.
Diagramme de phase de l'eau pure à des pressions inférieures à 250 atm et à des températures inférieures à 500 °C. Points : conditions actuelles de pression et de température à la surface de Mars (rouge), de la Terre (bleu) et de Vénus (orange) et conditions sur Terre il y a environ 4,4 milliards d'années (noir). Modifié d'après une figure du Pr. Olivier Dequincey.
L'eau liquide fut essentielle à l'émergence des organismes sur Terre il y a près de 4 milliards d'années, a été un facteur clé de leur conquête de la planète par la suite et reste essentielle à leur existence de nos jours. Le chapitre 5 du livre décrit ces influences depuis les confins du Système Solaire, d'où provenaient les comètes et les astéroïdes qui ont apporté une partie de l'eau de la planète au début de son histoire.
​
Les caractéristiques de la Terre contribuent à maintenir la majeure partie de son eau sous forme liquide. Par exemple, la réduction de la concentration atmosphérique en gaz carbonique après la formation précoce de l'océan planétaire a abouti à un effet de serre modéré, lequel a maintenu depuis la température de la planète à un niveau compatible avec la présence d'eau liquide. L’eau liquide précoce fût la condition du maintien de l’eau liquide à long terme !
5. Les influences du Système Solaire sur la présence d’eau liquide sur la Terre
6. La gravitation a concentré à la surface de la Terre les éléments nécessaires à la vie
La théorie de la relativité générale prédit que l'espace-temps autour d'un corps astronomique en rotation est déformé et tordu par la rotation du corps. La grille déformée autour de la Terre est une analogie visuelle de la courbure de l'espace-temps causée par la présence de la planète. La géométrie courbe de l'espace-temps est ressentie comme étant la gravité. Source Gravity Probe B.
Les organismes sont constitués d'éléments chimiques assemblés en molécules organiques de plus en plus complexes. Dans le chapitre 6 du livre, nous expliquons les liens entre les éléments constitutifs des organismes et la gravitation. Cette dernière a eu un rôle majeur dans la disponibilité des éléments biogéniques clés dans l'Univers et dans l'environnement terrestre et a largement contrôlé leur répartition sur la planète depuis ses débuts. La gravitation favorise également la circulation des éléments chimiques entre les différentes couches de la Terre, assurant ainsi leur disponibilité à long terme pour les écosystèmes.
​
Les organismes sont faits d’éléments chimiques organisés en structures fonctionnelles (ou hardware), allant de molécules très simples à l'ADN comportant plus d'un milliard d'atomes, puis en cellules, puis éventuellement en organismes multicellulaires. Une autre caractéristique majeure des organismes est l'information génétique transmissible au travers de la reproduction (ou software), portée par l'ADN et d'autres acides nucléiques (ARNs). Les aspects hardware et software sont, ensemble, déterminants dans les mécanismes de l’évolution biologique. La gravité a contribué à la création de hardware et de software biologiques en contribuant à la formation d'éléments chimiques dans l'Univers et en contrôlant leur distribution sur Terre.
Principaux réservoirs et flux de carbone dans les enveloppes externes du système terrestre actuel
7. La tectonique des plaques module l'effet de serre naturel
L'effet de serre naturel a maintenu des températures habitables depuis l’apparition des organismes sur la Terre. Ces conditions ont permis aux biomasses de s'accumuler et aux organismes de devenir progressivement des acteurs importants du système Terre. Nous montrons dans le chapitre 7 du livre comment l'effet de serre naturel est lié à l'activité géologique de la Terre.
​
La tectonique des plaques est une caractéristique propre au Système Terre qui affecte notamment le recyclage du carbone. D’une part l’altération chimique des roches silicatées (basaltes, granites…) que l’activité tectonique met au contact de l’atmosphère tend à réduire, sur le long terme, la concentration du gaz carbonique, d’autre part les émissions de gaz volcaniques tendent à l’accroître à différentes échelles de temps. Ces deux effets antagonistes modulent le climat de la Terre et, ainsi, l'habitabilité thermique globale de la planète.
8. Le champ magnétique protège l’atmosphère à long terme
L'histoire de l'atmosphère a commencé dès la formation du système Terre, il y a 4,5 milliards d’années, et sa composition a subi de profonds changements depuis. Dans le chapitre 8 du livre, nous décrivons les connexions à long terme de l’atmosphère et du champ magnétique terrestre et le rôle de ce dernier dans la prise de contrôle de la Terre par les organismes.
​
La Terre et d'autres corps du système solaire, notamment le Soleil, ont des champs magnétiques. Les interactions entre les champs magnétiques de la Terre et du Soleil protègent l'atmosphère terrestre, qui, elle-même, évite la perte d’eau vers l'espace. De plus, les organismes sur les continents sont protégés des impacts des rayons cosmiques à la fois par le champ magnétique et par l'épaisseur de l'atmosphère, qui est elle-même protégée par le champ magnétique et qui absorbe la plus grande partie du rayonnement cosmique qui échappe au champ magnétique.
Aurore boréale au-dessus de Bear Lake, Alaska, États-Unis, en janvier 2005. Ce phénomène résulte des interactions entre le vent solaire et le champ magnétique terrestre au-dessus des zones polaires. Source : Wikimédia.