vignette|250x250px| Le point orange pâle, une impression d'artiste de la Terre primitive qui serait apparu orange à travers sa seconde atmosphère prébiotique brumeuse et riche en méthane, étant quelque peu comparable à l'atmosphère de Titan L'atmosphère prébiotique est la deuxième atmosphère présente sur Terre, juste avant l'actuelle qui est biotique, riche en oxygène, et après la première atmosphère, principalement composée de vapeur d'eau et d'hydrures simples à la formation terrestre. La formation de la Terre, il y a environ d’années, a impliqué de multiples collisions et coalescences d’embryons planétaires. Cela a été suivi par une période supérieure à d'années sur Terre marquée par la présence d'océan de magma, où l'atmosphère était principalement composée de vapeur et des températures de surface de l'ordre de . La surface de la Terre s'est ensuite refroidie et l'atmosphère s'est stabilisée, établissant ainsi l'atmosphère prébiotique. Les conditions environnementales au cours de cette période étaient assez différentes de celles d'aujourd'hui : le Soleil était globalement environ 30 % plus sombre mais plus brillant aux longueurs d'onde des rayons ultraviolets et des rayons X, il y avait un océan liquide, on ne sait pas s'il y avait des continents, mais l'existence d'îles océaniques étaient probables. La chimie intérieure de la Terre (et donc l'activité volcanique ) était différente, et il y avait un flux plus important d'impacteurs (comètes et astéroïdes) frappant la surface.

Des études ont tenté de déterminer la composition et la nature de l'atmosphère prébiotique en analysant des données géochimiques et en utilisant des modèles théoriques en rapport avec notre connaissance de l'environnement terrestre primitif. Ces études indiquent que l'atmosphère prébiotique contenait probablement plus de CO2 que la Terre moderne, avait du N2 dans un ordre de 2 des niveaux modernes et des quantités extrêmement faibles d'O2. On pense que la chimie atmosphérique était « faiblement réductrice », et que des gaz réduits comme CH4, NH3 gaz et H2 y étaient présents en petites quantités. La composition de l'atmosphère prébiotique a probablement été périodiquement modifiée par les impacteurs, ce qui peut avoir temporairement provoqué une « forte réduction » de l'atmosphère.

Reconstituer la composition de l'atmosphère prébiotique est essentiel pour comprendre l'origine de la vie, car elle peut favoriser ou inhiber certaines réactions chimiques à la surface de la Terre considérées comme importantes pour la formation du premier organisme vivant. L'abiogénèse a commencé très tôt à modifier l’atmosphère, il y a au moins d’années et peut-être bien avant, ce qui marque la fin de l’atmosphère prébiotique.

Contexte environnemental

Établissement de l'atmosphère prébiotique vignette|Vue d'artiste de la collision avec Thea La Terre s'est formée il y a probablement plus de d'années par accrétion de matière provenant de la nébuleuse solaire, avec une protoplanète de la taille de Mars nommée Theia et lors de laquelle les ejectas satellisés se sont agrégés par accrétion. La collision a probablement fourni suffisamment d'énergie pour faire fondre la majeure partie du manteau terrestre et en vaporiser environ 20 %, chauffant la surface de la Terre jusqu'à . La surface de la planète à la suite de cet événement a connu des températures élevées d'environ , une atmosphère composée de vapeurs et de vapeurs de roches et un océan de magma. Au fur et à mesure que la Terre se refroidissait en évacuant l'excès d'énergie de l'impact, l'océan de magma s'est solidifié et les substances volatiles ont été réparties entre le manteau et l'atmosphère jusqu'à atteindre un état stable. On estime que la Terre est passée d'un environnement chaud après l'impact à un environnement potentiellement habitable avec un recyclage crustal, bien que différent de la tectonique des plaques moderne, environ d'années après l'impact avec Theia, il y a environ d'années. L'atmosphère prébiotique est apparue à partir de ce moment dans l'histoire de la Terre jusqu'à l'origine de la vie. On ne sait pas exactement quand la vie est née. Les preuves directes de vie sur Terre les plus anciennes datent d’environ d’années, comme les stromatolithes fossiles du pôle Nord, en Australie occidentale. Les indices éventuels de vie biologique à de temps plus anciens (par exemple il y a 3,8 et 4,1 milliards d'années) manquent de consistance pour pouvoir affirmer leur origine biotique, et sont donc toujours débattus. Ainsi l'atmosphère prébiotique s'est terminée, il y a d'années ou plus tôt (bien avant la Grande Oxydation), la plaçant au début de l'éon archéen ou au milieu à la fin de l'éon hadéen.

Facteurs environnementaux La connaissance des facteurs environnementaux au début de la Terre est nécessaire pour étudier l’atmosphère prébiotique. Une grande partie de ce que nous savons sur l'environnement prébiotique provient des zircons, des cristaux de silicate de zirconium (ZrSiO4). Les zirconiums ont en effet la propriété d'enregistrer les processus physiques et chimiques lors de leur formation et ils sont particulièrement durables. La plupart de ces minéraux datés de la période prébiotique se trouvent dans la formation de Jack Hills en Australie-Occidentale , mais on en trouve également ailleurs.L'étude des données géochimiques de plusieurs zircons prébiotiques montrent par des preuves isotopiques un changement chimique induit par l'eau liquide, indiquant que l'environnement prébiotique avait un océan liquide ne connaissant ni gel ni ébullition. La phase où les continents ont émergé de cet océan liquide s'est produite à une période non-définissable. L'incertitude est donc grande sur l'époque de l'interaction entre la surface prébiotique de la Terre et l'atmosphère, car la présence de terres exposées détermine la vitesse des processus d'altération et fournit des environnements locaux qui peuvent être nécessaires à la abiogénèse. Cependant, des îles océaniques étaient probables. De plus, l'état d'oxydation du manteau terrestre était probablement différent au début, ce qui modifie les flux d'espèces chimiques émises dans l'atmosphère par le dégazage volcanique.

Des facteurs provenant d’ailleurs du système solaire ont également affecté la Terre prébiotique. Le Soleil était globalement environ 30 % plus sombre au moment de la formation de la Terre. Cela signifie que des niveaux de gaz à effet de serre plus élevés qu’aujourd’hui auraient pu être nécessaires pour empêcher la Terre de geler. Malgré son niveau bas d'énergie, le Soleil primitif a émis plus de rayonnements dans les régimes ultraviolet et X qu’il ne le fait actuellement. En conséquences, des réactions photochimiques différentes ont pu dominer dans l'atmosphère primitive de la Terre, et se répercuter sur la chimie atmosphérique de la planète et sur la formation de composés importants supposés à l'origine de la vie. Enfin, au début du système solaire, il s'est produit un flux significativement plus élevé de corps célestes – comètes et astéroïdes – impactant la planète. Ces impacteurs peuvent avoir joué un rôle important dans l'atmosphère prébiotique car ils peuvent transporter des matières, les éjecter de l'atmosphère et en modifier la nature chimique.

Composition atmosphérique La composition exacte de l'atmosphère prébiotique est inconnue en raison du manque de données géochimiques sur cette période. Les études actuelles indiquent généralement que l'atmosphère prébiotique était « faiblement réduite », avec des niveaux élevés de , de N2 d'un facteur de 2 par rapport au niveau moderne, et des quantités négligeables d'O2 et plus de gaz contenant de l'hydrogène que l'atmosphère actuelle . Les gaz rares et les produits photochimiques des espèces dominantes étaient également présents en petites quantités.

Gaz carbonique Le dioxyde de carbone () est un composé important de l'atmosphère prébiotique qui affecte fortement la température de surface en tant que gaz à effet de serre ; de plus, il se dissout dans l’eau et peut modifier le pH de l’océan. La quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère prébiotique n'est pas directement déterminée par les données géochimiques et doit être déduite de manière indirecte.

Il y a des preuves que le cycle carbonate-silicate régule le taux de dioxyde de carbone atmosphérique sur Terre sur des échelles de temps d'environ un million d'années. Le cycle carbonate-silicate est une boucle de rétroaction négative qui module la température de la surface de la Terre en répartissant le carbone entre atmosphère et manteau par plusieurs processus de surface. L'hypothèse que les processus du cycle carbonate-silicate entraîneraient des niveaux élevés de dans l'atmosphère prébiotique pour compenser l'apport énergétique plus faible du faible jeune Soleil fait l'objet d'études. L'utilisation de ce mécanisme pour estimer la quantité du prébiotique fait l'objet de débats. L'incertitude est principalement due au manque de connaissances de la superficie des terres exposées, de la chimie et de la structure intérieures de la Terre primitive, du taux d'altération inversée et d'altération des fonds marins, ainsi que de l'augmentation du flux d'impacteurs. Une étude de modélisation approfondie suggère que le était environ 20 fois plus abondant dans l'atmosphère prébiotique que la valeur préindustrielle moderne (), ce qui aurait entraîné une température moyenne de surface mondiale autour de et un pH océanique d’environ 7,9. Ceci est en accord avec d'autres études, concluant généralement que l'abondance de dioxyde carbone atmosphérique prébiotique était supérieure à l'abondance moderne, bien que la température globale de surface puisse encore être significativement plus froide en raison de la température ambiante due au jeune Soleil faible.

Azote L'azote sous forme de diazote (N2) représente 78 % du volume de l'atmosphère terrestre moderne, ce qui en fait le gaz le plus abondant. Le N2 est généralement considéré comme un gaz ambiant dans l'atmosphère terrestre car il est relativement peu réactif en raison de la force de sa triple liaison. Malgré cela, il n'était pas moins important pour l'environnement prébiotique en raison de son impact sur le climat via la diffusion Rayleigh et il est possible qu'il ait été plus actif photochimiquement sous l'augmentation du rayonnement X et ultraviolet du jeune Soleil. Le N2 était également probablement important pour la synthèse de composés considérés comme essentiels à l'origine de la vie, tels que le cyanure d'hydrogène (HCN) et les acides aminés dérivés de ce dernier. Des études ont tenté d'encadrer la quantité de N2 dans l'atmosphère prébiotique à l'aide d'estimations théoriques, de modèles et de données géologiques. Ces études ont abouti à une série de contraintes possibles sur l'abondance du N2 prébiotique. Par exemple, une étude de modélisation récente qui intègre l'échappement atmosphérique, la chimie du magma océanique et l'évolution de la chimie intérieure de la Terre suggère que l'abondance atmosphérique de N2 était inférieure à la moitié de la valeur actuelle. Cependant, cette étude s'inscrit dans un ensemble de travaux plus vastes qui limitent généralement la quantité du diazote prébiotique à une valeur comprise entre la moitié et le double du niveau actuel.

Oxygène