Thémadoc : L'Âge de la Terre

Les géologues proposent une ancienneté de la Terre de l’ordre de quelques millions d’années qui est alors généralement admise mais deux écoles de pensée s’opposent concernant les mécanismes de l’évolution de notre planète.
D’une part, les « catastrophistes » pour lesquels la Terre actuelle est le résultat de cataclysmes violents (éruptions volcaniques, chute de comètes, déluges, etc.) ; la pensée biblique n’est pas toujours très loin et le naturaliste français Georges Cuvier (1769-1832), qui va découvrir les disparitions massives et soudaines d’espèces, est un représentant fameux de cette première école.

Georges Cuvier par James Thomson (1789-1850).

D’autre part, les « uniformitaristes », ou « actualistes » dont le chef de file est l’écossais Charles Lyell (1797-1875) estiment que les agents naturels (volcanisme, érosion…) qui ont façonné la Terre jadis sont les mêmes à l’œuvre aujourd’hui. Ils opposent des changements graduels de la planète qui s’inscrivent, eux, sur de très longues périodes aux grandes forces des catastrophistes qui s’exercent de façon brutale, sur de courtes périodes.
Le grand biologiste britannique Charles Darwin (1809-1882) va être séduit par Lyell. Lors d’observations géologiques, il étudie au sud de l’Angleterre la vallée du Weald creusée par la mer. En utilisant la vitesse d’érosion actuelle de la mer, il propose, par extrapolation, 300 millions d’années au moins pour obtenir cette formation (il est vrai qu'il fera son autocritique plus tard et révisera à la baisse cette estimation). Puis, Darwin va se rendre compte que l’évolution biologique dont il élabore la théorie nécessite beaucoup plus de temps, au moins un milliard d’années !

Sur l’opposition catastrophisme versus uniformitarisme

L'âge réel de la Terre donnerait plutôt raison aux « uniformitaristes », mais l'état actuel de notre planète serait incompréhensible sans l'existence de « catastrophes ». La disparition soudaine des dinosaures il y a 65 millions d'années est un exemple très médiatique de ces « catastrophes ». La Terre avait cependant connu précédemment quatre extinctions massives et brutales de faune et de flore, au moins aussi catastrophiques que cette dernière (il y a 440, 365, 245 et 210 millions d’années).
Le physicien Alvarez (1980) va être frappé par le fait qu'on a découvert partout sur Terre une teneur en iridium cent fois plus importante dans des couches sédimentaires également datées de 65 millions d'années. L'iridium est un métal très rare à la surface de la Terre, plus abondant dans les météorites. Alvarez propose le scénario de la chute d'une météorite d'environ 10 km de diamètre pour expliquer la disparition des dinosaures. Cette chute, dont l'énergie est de l'ordre de plusieurs milliers de bombes à hydrogène, va engendrer de gigantesques incendies, l'apparition de nuées de poussières qui vont obscurcir le soleil et donc un hiver appelé nucléaire, par analogie avec le résultat d’un bombardement. Les perturbations colossales engendrées dans le climat et donc dans toute la chaîne alimentaire vont favoriser les animaux à sang chaud, mieux adaptés. Le point d'impact a été ensuite identifié, c'est le cratère de Chicxulub dans le Golfe du Mexique. Cette thèse va assez généralement supplanter celle d'une autre catastrophe également concomitante : celle des éruptions volcaniques dans le plateau du Deccan (en Inde). La polémique sur l’origine des disparitions animales et végétales se poursuit néanmoins. C'est en tout cas un bon exemple d’interaction entre les sciences physiques et géologiques. Ces visions, catastrophiques ou uniformitaristes, ne sont pourtant pas si contradictoires : avec des temps de milliards d’années, même des évènements très rares (collision de météorites, éruption volcanique gigantesque) deviennent presque certains.

La polémique Kelvin-Darwin

Au milieu des débats du XIXe siècle relatifs aux datations, l’intervention remarquable de la physique, en la personne de l’Irlandais William Thomson (1824-1907), qui deviendra Lord Kelvin, un des plus grands physiciens de son temps, est déterminante.
En s’appuyant sur la physique mathématique, il va proposer, d’abord en 1862, une fourchette d’estimation de 20 à 400 millions d’années pour l’âge de notre planète et de 20 et 40 millions d’années pour le Soleil. Comme on sait que la Terre est plus jeune que le Soleil, il se basera sur les dernières valeurs estimées pour le Soleil pour diminuer d’autant l’âge de la planète.
Pour obtenir cette estimation, Kelvin reprend pour la Terre les hypothèses de Buffon selon lequel la Terre, à l'origine, se présente sous la forme d’une sphère solide, chaude et homogène (à 3000° C), qui se refroidit par conduction. À la différence de Buffon qui extrapolait des mesures expérimentales, Kelvin utilise une équation bien connue et solidement établie de la physique mathématique : l'équation de la chaleur du physicien français Joseph Fourier (1768-1830). La température croît à mesure qu’on s'enfonce sous Terre ; on dit qu'il y a un gradient de température qui vaut en moyenne 3° C par centaine de mètres. L’équation de Fourier permet de relier la valeur de ce gradient au temps de refroidissement identifié à l’âge de la Terre (voir la partie « En pratique »). Compte tenu des incertitudes sur les hypothèses, Kelvin en tire sa première fourchette d’estimation d’âge du globe.
Pour le Soleil, Kelvin sait que son énergie ne peut être chimique : par exemple, du charbon qui brûlerait ne donnerait que quelques milliers d'années d'existence. Il n'imagine alors qu'une source possible d’énergie : l'effondrement gravitationnel ; sous l'effet de son propre poids, le Soleil voit son rayon diminuer et l'énergie potentielle perdue se transformer en chaleur.
L’antagonisme entre Darwin et Kelvin à propos de l’évaluation de l’âge de la Terre va être abondamment utilisé par tous les adversaires de Darwin qui considéraient sa théorie de l’évolution comme une abomination scientifique et morale : comment l’homme, qui a une âme, peut-il descendre du singe qui n’en a pas ?

Caricature de Darwin en singe, publiée en 1871, dans le magazine satirique The Hornet.

La dispute est donc violente. Kelvin soupçonne les géologues et autres biologistes de ne pas accepter l’universalité des lois de la physique, et Darwin reste persuadé que quelque chose échappe aux physiciens. En effet, l’âge proposé par Kelvin est très sous-estimé, d’abord parce qu’il ne tient pas compte de la radioactivité (non encore connue à l’époque) émise par la planète elle-même, mais aussi, parce que, dans son modèle de refroidissement, il ne tient compte que de la conduction et non de la convection, qui est pourtant connue mais le manteau terrestre, constitué de roches (des silicates), ne peut être imaginé que rigide. Or, cela est vrai pour des périodes courtes mais pas pour de longues périodes (millions d’années). Donc les silicates fluent, le manteau, siège de grands mouvements de convections, est visqueux à l’échelle des temps géologiques.
Mais l’autorité de Kelvin est telle que l’âge qu’il propose pour notre planète est finalement accepté par l’immense majorité des scientifiques, plutôt partisans jusque-là de l’actualisme (ou uniformitarisme). Son idée est qu’une Terre chaude procure des réactions chimiques et des processus physiques beaucoup plus rapides et donc permet une évolution plus concentrée que celle tirée d’une simple extrapolation dans le passé des conditions actuelles. Mais ces temps sont trop brefs pour expliquer le développement, l’évolution de la vie qui nécessite une durée au moins de l’ordre du milliard d’années pour Darwin. Ce dernier étant ainsi désavoué, les partisans de l'intervention divine exultent !