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L'IMPORTANCE DE L'EAU

 

Pourquoi l’eau et pas un autre liquide 

En tant que source de toute vie sur Terre, l’eau a toujours fasciné (il suffit de voir les grandes découvertes et les annonces concernant l’eau sur la Lune ou sur Mars)…                                                                    

Un certain nombre de questions que l’ont pourrais se pausé concernant l’eau en tant que source de vie dans l’univers : Quel est le secret de l’eau et les raisons de son rapport intime à la vie ? L’eau est-elle abondante dans l’univers ? Une vie extraterrestre sans eau liquide est-elle envisageable ? Comment l’eau est-elle répartie dans le Système solaire ? L’eau liquide peut-elle exister à l’écart de toute étoile ? D’où vient l’eau de la Terre ? Pourquoi Vénus n’a-t-elle jamais eu d’eau liquide ? Pourquoi Mars a-t-elle perdu l’eau liquide qu’elle possédait au début de son Histoire ? 

Nous allons voir que l’eau liquide est sans doute omniprésente dans l’univers, peut-être plus encore que ne le laisse entrevoir notre Système solaire. En revanche, si c’est une condition nécessaire à l’apparition de la vie, la présence d’eau liquide n’apparaît certes pas comme une condition suffisante…

Il faut déjà rappeler que seule l’eau liquide a un intérêt : la glace d’eau ou la vapeur d’eau n’ont aucune valeur particulière pour la vie. En fait, l’intérêt de l’eau liquide réside dans sa capacité à favoriser les réactions chimiques.

L'eau liquide est une des conditions favorables à la vie.

Les êtres vivants comme ont viens de le voir sont constitués d’un agencement ordonné de molécules incroyablement complexes : pour créer de tels édifices, il a fallu que des molécules organiques simples réagissent chimiquement ensemble, de sorte à grossir et se transformer. Il a donc fallu un milieu bien particulier permettant à ces réactions de se faire

En pratique, seul un liquide peut remplir ce rôle, pour deux raisons :

A / les atomes à l’intérieur d’un solide ne peuvent pratiquement pas se déplacer, c’est d’ailleurs la raison pour laquelle un solide est rigide. Cela veut dire que les molécules restent à leur place et ne peuvent pas se rencontrer : faute de contact entre des molécules variées, aucune réaction chimique ne peut s’enclencher ;                                                                                                                                                                                                                                                    

B / les molécules d’un gaz sont extrêmement dispersées. C’est la raison pour laquelle un gaz est beaucoup plus léger qu’un liquide (à titre d’exemple, l’eau est mille fois plus lourde que l’air) ; c’est aussi pour cela qu’un gaz est transparent, et qu’on peut s’y déplacer sans difficulté. À l’échelle microscopique, cela signifie que les molécules se rencontrent assez « rarement » par rapport à un liquide, puisqu’elles sont plus éparses. Ainsi, la chimie liée aux réactions entre molécules est possible dans un gaz, mais elle est beaucoup moins efficace que dans un liquide. 

Seule l'eau sous état liquide peut donc engendrer des réactions chimiques nécessaires à la vie. On peut alors se demander si les caractéristiques de l'eau liquide sont communes à tous les liquides.

Les caractéristiques des molécules d'eau ne sont pas communes à tous les liquides.

Les caractéristiques chimiques des liquides

Tous les liquides se valent-ils du point de vue de la chimie ? Loin de là ! Supposons qu’on souhaite mélanger deux espèces ensemble dans un liquide tel que de l’huile, afin de les faire réagir. L’espèce la plus lourde tend à se déposer au fond, tandis que celle la plus légère tend au contraire à surnager. Finalement, les deux espèces restent séparées et ne peuvent pas réagir efficacement. Mélangeons maintenant ces deux espèces dans de l’eau. La molécule d’eau a une propriété intéressante : elle possède un côté chargé positivement, et l’autre chargé négativement. On dit que c’est une molécule « polaire ». Grâce à l’attraction électrostatique due à ces charges, elle tend à se « coller » à beaucoup d’autres espèces. Ainsi, si on met de l’alcool dans de l’eau, les molécules d’eau vont s’empresser d’entourer chaque molécule d’éthanol : l’alcool se retrouve dissous dans l’eau. Bien qu’il soit plus léger que l’eau, l’alcool ne surnage pas au-dessus : il apparaît un unique mélange eau + éthanol, chaque molécule d’éthanol étant étroitement « collée » aux molécules d’eau. Si ce n’était pas le cas, les premiers à déboucher une bouteille de vin boiraient de l’alcool pur, tandis que les suivants se contenteraient du jus de raisin se trouvant au-dessous…

En mettant de l’alcool dans de l’eau, les molécules d’eau vont entourer chaque molécule d’éthanol.

Grâce à sa polarité, l’eau peut ainsi dissoudre de nombreuses molécules, qui se retrouvent en présence sur tout le volume de solution : cela permet à ces molécules de se rencontrer au sein du liquide, et de réagir de façon efficace, ce qui explique l’importance de l’eau liquide dans le développement de la vie.
Le sel de cuisine se dissout très mal dans l'éthanol. Au contraire, il se dissout facilement dans l'eau grâce à la forte polarité de la molécule d'eau. L'eau arrive donc à dissoudre à la fois l'éthanol et le sel : au final, l'éthanol et le sel se retrouvent mélangés ensemble, grâce à l'eau qui lui a servi de « liant». Cette capacité de mélange explique l'importance de l'eau liquide en chimie. Précisons enfin que du fait de leur polarité, les molécules d’eau se collent aussi entre elles, et pas seulement aux autres espèces. Cela explique que l’eau soit liquide à la pression et à la température ambiantes : dans un liquide, les molécules « glissent » les unes contre les autres, alors que dans un gaz elles sont séparées et suivent chacune leur propre chemin.

Les molécules d'eau

Ainsi, l’air est gazeux parce que Net One sont pas des molécules polaires (elles ne se collent pas les unes aux autres). L’eau est liquide parce que les molécules H2O sont polaires et « aiment le contact »…

L’eau n’est pas la seule à avoir de telles propriétés : beaucoup d’autres molécules sont polaires comme elle. La vie extraterrestre a-t-elle vraiment besoin de l’eau liquide pour se développer ? Ne pourrait-elle pas trouver un autre liquide aux propriétés similaires 

Molécules d'eau liquide. 

Ce serait oublier que l’eau est l’une des espèces les plus communes dans l’univers. Pour comprendre pourquoi, il suffit de noter l’abondance des différents éléments dans l’univers :

HYDROGENE: 74% HELIUM: 24% OXYGENE: 1% TOUS LES AUTRES ELEMENTS REUNIS: 1%

L’abondance de l’hélium et de l’hydrogène est due au fait que ce sont les deux seuls éléments créés lors du Big Bang. L’oxygène quant à lui est issu de la fusion nucléaire qui a eu lieu dans les étoiles les plus massives, au même titre que tous les autres éléments.

Des candidats au remplacement de l'eau pour la vie ? 

 Parmi ces trois éléments, l’hélium est tout à fait inerte chimiquement. Il reste donc l’oxygène et l’hydrogène : les atomes d’hydrogène peuvent ou bien se lier ensemble, formant H2 (la molécule la plus abondante dans l’univers), ou bien se lier à un oxygène, formant H2O. Outre le dihydrogène, la molécule d’eau est donc la molécule la plus simple qu’on puisse former à partir des éléments les plus abondants de l’univers… De toutes les molécules polaires, l’eau est de loin la plus courante.

Ainsi, l’eau est la molécule de la vie par excellence.

Le deuxième élément qui tend le plus à attirer des électrons est l’oxygène. Cet élément voudrait former l’ion O2-, mais il n’en est pas capable car la formation d’une double charge négative sur un même atome est presque impossible (à cause de la répulsion électrostatique entre les deux charges négatives). C’est la raison pour laquelle l’oxygène tend à former des molécules plutôt que des ions. Son « besoin avide » en électrons attire vers lui les électrons d’une molécule : il se retrouve chargé négativement. C’est ce qui explique la polarité de la molécule d’eau, où l’oxygène porte une charge négative et les hydrogènes une charge positive.

Finalement, de par cette propriété exceptionnelle de l’élément oxygène, l’eau H2O est la molécule la plus polaire qu’on puisse former parmi les espèces simples. Ses propriétés exceptionnelles de « collage » en font alors un fabuleux accélérateur de réactions. Abondance exceptionnelle, propriétés chimiques exceptionnelles… L’eau est incontournable pour une vie extraterrestre hypothétique !  

Où pourrait-on trouver de l’eau liquide ailleurs? Sur une autre planète du système solaire ? La première contrainte serait liée aux conditions de température et de pression.

Les planètes du Système solaire et l'eau.

Le Système solaire nous donne des renseignements précieux sur les possibilités d’existence de l’eau liquide.

Les huit planètes du Système solaire se subdivisent très nettement en deux catégories : les quatre planètes les plus proches du Soleil sont petites et rocheuses « planètes telluriques »( Mercure, Venus, Terre, Mars), les quatre planètes les plus éloignées sont énormes et principalement constituées de gaz « géantes gazeuses »( Saturne, Jupiter, Uranus, Neptune ). Or cette distinction est associée à une autre différence fondamentale : la plupart des satellites des géantes gazeuses sont principalement constitués de glace d’eau, tandis que les planètes telluriques sont plutôt pauvres en eau (y compris la Terre, où les océans sont profonds de seulement 2 kilomètres alors que le corps rocheux fait 6.380 km de rayon...). Ces deux constats sont liés entre eux :               

Loin du Soleil, l’eau est présente sous forme de glace. Comme c’est une molécule très abondante, elle s’est ajoutée de façon significative à la masse des corps rocheux lors de la formation du Système solaire. Grâce à la faiblesse des rayonnements solaires, ces gros noyaux rocheux ont retenus les gaz les plus légers tels que l’hélium et le dihydrogène : comme ces deux gaz sont de loin les plus abondants dans l’univers, ces planètes ont grossi démesurément jusqu’à devenir des géantes gazeuses, entourées d’un cortège de satellites glacés                                                                                                                            

Près du Soleil, l’intensité des rayonnements a eu tendance à casser toute molécule d’eau dans le vide spatial, et l’eau ne s’est donc pas ajoutée à la masse des corps rocheux. De plus, ces radiations ont empêché les gaz légers tels que l’hélium et le dihydrogène de s’accumuler en surface : les planètes n’ont pu retenir qu’une fine atmosphère au-dessus de corps rocheux pauvres en eau.

Les planètes du Système solaire se subdivisent donc en deux catégories : celles proches du Soleil (denses et de faible taille, les planètes telluriques), celles éloignées du Soleil (grosses et peu denses, les géantes gazeuses).

 À partir d’une certaine distance, la glace d’eau a pu s’ajouter à la masse du corps rocheux : l’association d’une grande masse et d’un faible rayonnement solaire a permis de retenir les gaz légers tels que le dihydrogène ou l’hélium. Cela explique la grande taille et la faible densité des planètes externes, principalement constituées de gaz.

Cette distinction soulève un problème majeur : loin du Soleil, l’eau est omniprésente, mais les rayonnements solaires sont trop faibles pour qu’elle passe à l’état liquide. Près du Soleil, la température plus élevée permet le passage à l’état liquide sur les corps dotés d’une atmosphère suffisante, mais l’eau y est très rare.

Tout semble donc contribuer à rendre l’eau liquide rarissime…

L'eau se caractérise par quatre états : liquide, gaz, solide (glace), vapeur. Ce sont les conditions de température qui engendrent les états différents de l'eau. La pression peut cependant modifier les états de l'eau (sur terre la pression au niveau de l'eau est de 1 bar)  

                                                                                                                                                                                                                                                                            De façon générale, une pression trop faible interdit l’état liquide quelle que soit la température : si on chauffe de la glace d’eau, celle-ci passe directement sous forme de vapeur (on dit qu’elle se sublime). La pression minimale d’existence de l’eau liquide est de 6 mbar en particulier dans le vide spatial, l’eau liquide ne peut pas exister. On ne peut trouver de l’eau liquide qu’à l’intérieur d’un planétoïde, ou en surface si celui-ci possède une atmosphère suffisante. Par ailleurs, la température joue bien sûr un rôle de premier plan : sous pression atmosphérique, l’eau liquide existe entre 0°C et 100°C, mais plus la pression augmente, plus la gamme de températures possibles s’élargit. À l’inverse, aux faibles pressions, l’eau bout bien en dessous de 100°C (Exemple au sommet d’une haute montagne la pression atmosphérique étant moins importante, l’eau bout en dessous de 100°C) ...

Les régions externes où se trouvent les géantes gazeuses sont le domaine de la glace d’eau : en particulier, l’eau y constitue la moitié de la masse de la plupart des satellites. Les rayonnements solaires y sont trop faibles pour la faire passer à l’état liquide ; mais d’autres sources d’énergie ne peuvent-elles pas s’y substituer ?                                                                                                                         

Les énergies de substitution

C’est le cas des satellites Io et Europa de Jupiter : ces deux corps possèdent une énergie interne considérable, due au « malaxage par les forces de marée ». Le principe est le suivant : lorsque vous tournez à gauche en voiture, une force tend à vous déporter vers la droite, il s’agit de la force centrifuge. De même, un satellite en orbite autour d’une géante gazeuse est « en virage permanent », et subit donc une force centrifuge vers l’extérieur du virage. Celle-ci s’oppose à la force gravitationnelle dirigée vers l’intérieur du virage. Or le côté du satellite tourné vers la planète subit une force gravitationnelle plus intense que le côté aux antipodes, car il est plus près de la planète. Finalement, si on ajoute la force centrifuge, il apparaît que la force résultante tend à « écarteler » le satellite : celui-ci adopte la forme d’un ballon de rugby. C’est notamment ce qui explique les marées sur Terre, dues à la Lune. Mais dans le cas d’Io et d’Europa, il s’y ajoute un deuxième phénomène : leur orbite n’est pas tout à fait circulaire, car les deux satellites s’influencent mutuellement par la gravitation. Au fur et à mesure qu’ils s’approchent et s’éloignent de Jupiter au cours de ces oscillations, le phénomène de marée s’accroît puis diminue : les satellites oscillent en permanence entre un « ballon de football » et un « ballon de rugby ». En d’autres termes, ils sont « malaxés ». Ce malaxage s’accompagne de frictions à l’intérieur des satellites qui tendent à les chauffer fortement : l’énergie produite est dissipée vers la surface par le biais du volcanisme.

Sur Io, le phénomène a été tellement intense que toute la glace d’eau initiale est passée sous forme de vapeur : du fait des radiations solaires, la vapeur d’eau a été définitivement éjectée du satellite. Il ne subsiste aujourd’hui qu’un corps sans eau constellé de volcans actifs.

Sur Europa, (voir le chapitre lui concernant) plus éloigné de Jupiter, le phénomène a été moins intense : aux débuts de son Histoire, Europa a « perdu du poids » comme Io, en perdant son eau sous forme de vapeur. Mais la taille du satellite diminuant, cela a diminué le phénomène des marées l’eau a finalement pu rester sous forme de glace en surface, et a cessé son échappement. Ainsi, une grande quantité de l’eau initiale s’est échappée d’Europa, mais il en reste néanmoins suffisamment pour que sa surface soit couverte de glace. De plus, le chauffage interne dû au malaxage perdure aujourd’hui : il permet de faire passer l’eau à l’état liquide sous la croûte de glace. Ainsi.                

Europa abrite probablement un gigantesque océan d’eau liquide dix fois plus importante que sur terre et cela caché sous la glace externe.

Sur Encelade (voir chapitre lui concernant) Ce petit satellite de Saturne recouvert de glace a une activité interne très intense et évacue de la matière sur forme de Geiger dans l’anneau E de Saturne

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La sonde Cassini avait fait sensation en photographiant pour la première fois des panaches de glace sur Encelade, un satellite doté d'une activité géologique intense. Ces panaches, constitués de minuscules grains de glace, de vapeur et de sels de sodium, s'échappent par des fractures de la croûte au niveau du pôle Antarctique et alimentent l'anneau E de Saturne.

Selon les images de la sonde de Cassini, Encelade est recouvert d'une couche aux reflets bleutés, caractéristique de la neige d'eau fraîche. La neige serait épaisse d'une centaine de mètres, ce qui indique qu'il neige sur Encelade depuis au moins 100 millions d'années. Les geysers, et la source de chaleur souterraine qui les alimente, seraient donc actifs depuis très longtemps.

Sur Titan (voir le chapitre lui concernant) Avec un diamètre supérieur à celui de Mercure, proche de celui de Mars, Titan est le deuxième plus grand satellite du système solaire, après Ganymède. Il s’agit du seul satellite connu à posséder une atmosphère dense

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Titan est principalement composé d’eau sous forme glacée et de roches. Son épaisse atmosphère a longtemps empêché l’observation de sa surface.Titan est perçu comme un analogue de la Terre primitive. Le satellite est cité comme un possible hébergeur de vie extraterrestre microbienne ou, au moins, comme un environnement pré biotique riche en chimie organique complexe. Certains chercheurs suggèrent qu’un possible océan souterrain pourrait servir d’environnement favorable à la vie.

La vie est elle possible sans lumière ?

Sur Terre, des organismes vivants ne dépendant pas de la photosynthèse ont été découverts près des dorsales océaniques : même si la lumière du Soleil n’arrive pas à pénétrer dans l’océan d’Europe, la présence de vie à l’intérieur n’est donc pas totalement à écarter…                                                                                                                                                                                                                                                                   Finalement, la présence d’eau liquide est possible même en l’absence de l’énergie d’une étoile, et le Système solaire nous en offre un bel exemple ! Il est même envisageable de trouver de l’eau liquide à la surface de tels corps, et non plus seulement en profondeur. Par exemple, Titan, le gros satellite de Saturne, a conservé une épaisse atmosphère de diazote car les rayonnements solaires ont été trop faibles pour l’arracher. Avec un malaxage par le phénomène de marée, la glace d’eau serait alors passée à l’état liquide en surface, et non plus gazeux : l’eau ne se serait pas échappée comme sur Io, et se serait maintenue sous forme liquide à la surface jusqu’à aujourd’hui ! Pour rencontrer une telle situation, il aurait sans doute suffi d’intervertir Jupiter et Saturne, avec leur cortège de satellites…

Près des étoiles, le problème est tout autre : les rayonnements tendent à y casser toute molécule d’eau. Dans ce cas, d’où vient l’eau de la Terre ?...

 

Trois scénarios sont envisagés pour expliquer l’origine de l’eau terrestre.                                                                             

Premier scénario: Dans le premier, les molécules d’eau auraient été abritées des rayonnements solaires à l’intérieur des « poussières » du nuage originel, lors de la formation du Système solaire. Lorsque les poussières se sont accrétées pour former des planétoïdes, l’eau est restée protégée à l’intérieur. Puis, les planètes se sont contractées en grossissant, ce qui a éjecté l’eau vers l’extérieur, un peu à la manière d’une éponge gorgée d’eau qu’on presse. Des gaz tels que le dioxyde de carbone étaient éjectés en parallèle, créant une atmosphère. Sur Terre, les conditions de température et de pression ont fait passer l’eau sous forme liquide, et ainsi les océans ont-ils apparus. Protégée des radiations par l’atmosphère, l’eau a pu se maintenir jusqu’à aujourd’hui. Sur Vénus, la température élevée a maintenu l’eau sous forme de vapeur : les radiations ont alors cassé les molécules d’eau dans la haute atmosphère, et l’hydrogène issu de l’eau a été définitivement éjecté. Aujourd’hui, l’eau est quasi-inexistante sur Vénus.

Deuxième scénario: L’autre scénario met en jeu les astéroïdes et les comètes : celles-ci viennent de régions très lointaines du Système solaire, qui sont précisément riches en eau. Or au début de l’Histoire du Système solaire, les impacts étaient très nombreux car un grand nombre de corps continuaient à virevolter au sein du disque protoplanétaire : cela a pu apporter une quantité non négligeable d’eau sur la Terre, en l’amenant depuis les confins du Système solaire. Aujourd’hui, les observations tendent à indiquer que ces deux scénarios ont joué chacun un rôle pour expliquer la quantité actuelle d’eau liquide sur Terre. 

Troisième scénario: Depuis quelques années, un troisième scénario paraît envisageable pour apporter de l’eau vers l’étoile, dans certains systèmes planétaires. En effet, les observations d’exo planètes ont amené à détecter un grand nombre de géantes gazeuses situées près de leur étoile, dans la zone normalement réservée aux planètes telluriques. Il a donc fallu imaginer une hypothétique migration de planètes aux débuts de l’Histoire de ces systèmes planétaires : les géantes gazeuses se seraient formées loin de leur étoile, comme dans le Système solaire, mais auraient ensuite migré vers leur étoile du fait des interactions avec le disque de poussières résiduel. Il s’agit d’un excellent moyen d’amener l’eau abondante des confins vers des régions plus proches des étoiles : le processus est similaire à celui des comètes, mais à bien plus grande échelle puisqu’il concerne des planètes entières ! À supposer que les géantes gazeuses finissent par perdre leur dihydrogène et leur hélium du fait des radiations de l’étoile, elles pourraient alors devenir de véritables planètes-océans. La présence de continents y serait impossible car la profondeur de l’eau y serait de quelques centaines à milliers de kilomètres…

Finalement, on voit que les mécanismes permettant à l’eau liquide d’exister dans la zone des planètes telluriques ne manquent pas…  

 À première vue, la Terre semble être exceptionnelle dans le sens où c’est la seule planète possédant de l’eau liquide en surface dans l’état actuel de nos connaissances. Comme cette eau liquide est intimement liée à la vie sur Terre, cela semble en faire un cas exceptionnel et rarissime.  En fait, l’eau liquide pourrait être beaucoup plus commune que le Système solaire ne le laisse entendre. La molécule d’eau est l’une des plus abondantes dans l’univers, et de nombreux mécanismes peuvent permettre son passage à l’état liquide. Le Système solaire pourrait même être plutôt pauvre en eau liquide par rapport aux autres systèmes planétaires. Il ne contient qu’une seule planète tellurique avec de l’eau liquide, alors qu’il aurait pu y en avoir deux ou trois. Et aucun satellite de géante gazeuse ne possède d’eau liquide en surface dans le Système solaire, alors que cette possibilité n’est pas à exclure sur d’autres systèmes planétaires…

L’eau liquide serait même envisageable à l’écart de toute étoile et de tout système planétaire ! Ainsi, une géante gazeuse solitaire possédant plusieurs gros satellites influencés par les forces de marée pourrait permettre à l’eau de passer sous forme liquide sur l’un de ces satellites…

Ainsi, les découvertes d’eau dans le Système solaire et ailleurs, faites à grands renforts médiatiques, se poursuivront logiquement à l’avenir. En revanche, il ne faut pas associer trop rapidement « eau » et « eau liquide » d’une part, « eau liquide » et « vie » d’autre part. L’eau liquide n’est assurément pas une condition suffisante pour le développement de la vie !

Les conditions à la vie extraterrestre Pour envisager l’existence d’une vie extraterrestre, il faudrait qu’au moins trois conditions soient réunies au même endroit                                                                                                                                                                                                                 

Présence d’un liquide comme « accélérateur de réactions »

Présence d’une source d’énergie pour initier ces réactions (soleil, volcanisme, électricité (orages), voir gravitationnel.)

Présence de matière organique qui puisse réagir (bactérie, molécules)                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Finalement, il faut sans doute voir la galaxie comme une constellation d’innombrables « oasis » d’eau liquide, mais dont peut être beaucoup restent inanimées

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