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L'extinction des dinosaures

Fragmentation de l'astéroïde Baptistina il y a 160 millions d'années. Doc Don Davis/SwRI.

La fragmentation de l'astéroïde Baptistina (II)

Si la théorie météoritique est exacte, des chercheurs ont essayé de déterminer quelle sorte d'astéroïde avait pu être à l'origine du cratère de Chicxulub.

Les résultats des simulations numériques publiés en 2007 dans le magazine Nature par des chercheurs du Southwest Research Institute (SwRI) en Arizona et de la Charles University (Karlova) de Prague suggèrent que l'impact de Chicxulub et le cratère Tycho (85 km de diamètre et 4.8 km de profondeur) sur la Lune auraient la même origine.

Ainsi que le montre l'illustration présentée à droite, deux astéroïdes de la famille Baptistina, un groupe de corps formés suite à la fragmentation d'une chondrite carbonée mesurant quelque 170 km de longueur, seraient entrés en collision dans la partie intérieure de la Ceinture des astéroïdes il y a environ 160 millions d'années.

Les chercheurs ont abouti à cette conclusion en analysant les données de plusieurs fragments de cet objet dont celui de l'astéroïde 298 Baptistina justement, un corps de 13 à 30 km de longueur découvert en 1890 (cf. ce document de 1893) dans la Ceinture des astéroïdes. Ce petit corps qui brille à la magnitude 11 se déplace à environ 20 km/s soit 72000 km/h sur une orbite inclinée à 6.28° sur le plan de l'écliptique.

A partir de ces données, ils ont modélisé l'évolution de leur trajectoire en remontant jusqu'à l'époque de la fragmentation du corps parent, en tenant compte des forces thermiques qui ont modifié leur trajectoire à mesure qu'ils absorbaient et réémettaient le rayonnement solaire. Ils ont découvert que cette fragmentation s'est produite il y a 160 ±20 millions d'années.

Les fragments auraient suivi une trajectoire les écartant de la Ceinture des astéroïdes et les rapprochant de celles de la Terre et de la Lune, provoquant une augmentation significative du nombre d'impacts météoritiques sur ces astres dont le pic d'activité est survenu il y a 100 millions d'années. Aux dernières estimations, Tycho aurait été formé il y a 108 millions d'années.

Les deux impacts de Chicxulub et Tycho correspondent aux tracés des fragments du corps parent de Baptistina, Chicxulub correspondant à la composition d'une chondrite carbonée. En complément, le modèle indique une augmentation de la fréquence des impacts sur la Lune au cours des 150 derniers millions d'années.

Les conséquences d'un impact majeur

La fameuse "kill curve" de Raup publiée en 1990 met en rapport le pourcentage d'extinction et le diamètre du cratère. Les points ajoutés par Rampino et Haggerty en 1995 représentent respectivement les impacts de Puzech-Katunki, Popigai, Manicouagan et Chicxulub. Noter toutefois que ces courbes sont spéculatives car il n'existe virtuellement qu'un seul cratère associé à un phénomène d'extinction massive, celui de Chicxulub. Document LLNL.

En 1990, D.Raup publia une courbe d'extinction des espèces en fonction du diamètre du cratère d'impact. Mais il ne disposait virtuellement comme indice que d'un seul cratère associé à un tel phénomène, celui de Chicxulub.

Pour tester la validité de ce modèle, en 1995 les géologues et biologistes Michael Rampino déjà cité et Bruce M. Haggerty de l'Université de New York déjà connus pour leurs études sur les extinctions de masse complétèrent le schéma en ajoutant plusieurs cratères d'impacts suspects : Puchezh-Katunki (Russie), 80 km, Trias; Popigai (Russie), 100 km, Tertiaire; Manicouagan (Canada), 100 km, fin du Trias. Ces points semblent tomber dans la marge d'erreur de la "kill curve" proposée par Raup présentée ci-dessus, un nouvel indice en faveur de cette théorie.

C'est l'ensemble de ces données complétées par les résultats des études climatiques de Kevin Pope, Julia Brugger et leurs collègues que nous allons à présent rassembler en proposant un scénario plausible de ce qui s'est produit au moment de cet impact météoritique et de ses conséquences.

Scénario d'une extinction

En supposant que nous connaissons à présent l'origine du cratère de Chicxulub et du corps qui lui a donné naissance, voyons comment les spécialistes ont reconstitué les évènements qui suivirent l'impact sur notre planète. Nous détaillerons d'abord les effets à court terme comme le fall-out et les tsunamis puis nous détaillerons les effets à long terme, en particulier le changement de climat.

Il y a environ 160 millions d'années, sous l'effet du chaos et de l'influence gravitationnelle du Soleil, un fragment de l'astéroïde Baptistina mesurant au moins 10 km de diamètre et relativement peu dense (poreux) quitta doucement la Ceinture des astéroïdes. Il gravita seul autour du Soleil pendant près de 100 millions d'années, se rapprochant progressivement de la Terre dans une étreinte en spirale dont l'emprise allait être mortelle.

Il y a 66 millions d’années, cet astéroïde suivi une trajectoire de collision avec la Terre. S'il y avait eu des observateurs à cette époque, pendant quelques jours ils auraient pu l'observer à l'oeil nu telle une étoile très brillante, augmentant rapidement d'éclat à mesure que les heures et les jours passaient. Le jour fatal il pénétra dans l’atmosphère terrestre à plus de 20 km/s. Son extrémité était encore au sommet de la basse atmosphère quand son front s’écrasa dans la péninsule du Yucatan, au Mexique. 

Document Don Davis.

Ce phénomène excessivement rare provoqua une catastrophe globale. Son indice d'explosivité a été estimé à VEI 8 sur une échelle qui va de 0 à 8, chaque degré étant 10 fois plus intense que le précédent ! A titre de comparaison, l'explosion du volcan de Santorin en mer Egée en 1650 avant notre ère atteignit l'indice VEI 5, tout comme l'explosion du St.Helens en 1980, tandis que l'explosion du Krakatoa en 1882 atteignait l'indice VEI 6. Seules les explosions des supervolcans de Yellowstone et Toba atteignirent l'indice VEI 8. Et tous deux ont eu un impact majeur sur le climat et la biodiversité au point que l'humanité manqua de disparaître après l'explosion de Toba il y a 73000 ans. Face à des conséquences aussi dramatiques, l'impact du C/T devait donc fatalement conduire à l'extinction de la plupart des espèces par les effets secondaires qui en découlèrent (incendies, retombées de gaz et d'acides, tremblements de terre, tsunamis et refroidissement à l'échelle globale).

La chaleur

L’énergie de l’impact, évaluée entre 100 mille et 100 millions de mégatonnes de TNT soit plus de 6 mille milliards de fois l'explosion d'Hiroshima (15 kt de TNT) fut convertie en onde de choc et en chaleur. On estime qu'en moins d'une seconde elle forma une dépression de 10 km de diamètre et de 13 km de profondeur qui se transforma au bout de 2 minutes en un cratère d’impact de plus de 180 km de diamètre qui libéra dans l’atmosphère une quantité extraordinaire de poussières, de roches en fusion, de débris, de vapeur brûlantes et de gaz toxiques. La collision aurait généré une pression d'environ 660 GPa soit plus élevée que celle qui règne au centre de la Terre (360 GPa) !

Au moment de l'impact, les ondes de choc séismiques extrêmement intenses ont parcouru tout le globe et se sont répercutées pendant plusieurs mois à travers la planète, réveillant localement les volcans éteints ou assoupis ainsi que les zones de fractures qui commencèrent immédiatement à générer des tremblements de terre et à libérer des gaz suffoquants et de la lave.

Sous l'impact, une boule de feu d'au moins 6000°C et de plusieurs centaines de kilomètres de diamètre se forma. Elle progressa à 50000 km/h dans toutes les directions et notamment vers l'Amérique du Nord, l'Europe et l'Asie qui abritaient une grande population de dinosaures.

Document Mark Garlick.

En quelques secondes, les éjectas en fusion libérés par l'impact ont porté l'atmosphère à haute température. Ce nuage d'éjectas contenait des blocs de pierre dont la taille oscillait entre celle d'une maison et d'une petite ville. En retombant au sol, l'air devint si chaud que les végétaux et les animaux succombèrent sous les effets de la chaleur, ceux qui survécurent mourant le corps transpercé par les éclats de roche, écrasés ou brûlés vifs par les éjectas.

 Aux antipodes, à 12000 km de distance, le nuage d'éjectas d'une température de 800°C tomba sur l'Asie centrale et notamment sur la Mongolie à la vitesse de 16000 km/h. Chaque seconde, la température augmenta de quelques degrés. Au-dessus de 50°C, les animaux qui n'avaient pas trouvé refuge dans des abris ou dans l'eau suffoquèrent et perdirent connaissance. A partir de 65°C, les animaux commencèrent à cuire sur place et périrent en quelques minutes. A plus de 90°C, la survie se compta en seconde.

Trois minutes après l'impact, la température du sol de la Mongolie atteignit 150°C. Toutes les formes de vie qui n'ont pu se protéger moururent.

Dans le nord-ouest du Pacifique, les vallées profondes et l'humidité ambiante ont protégé la faune et la flore pendant quelques minutes de plus. Mais partout le feu surgit et envahit les terres. Les animaux restés à l'air libre furent brûlés vifs ou suffoquèrent avant d'être carbonisés.

En moins d'une heure, tous les organismes vivants à la surface de la terre existant en Amérique du Nord et Centrale ont été brûlés vifs par l'onde de chaleur. A plus de 500 km de l'impact, les animaux furent soufflés par l'onde choc ou blessés mortellement par des débris se déplaçant à des vitesses supersoniques. A plus grande distance, ils moururent intoxiqués par lez gaz ou étouffés par les cendres (résidus incombustibles) et la suie (un dépôt carboné formé lors de la combustion incomplète de la biomasse). Ailleurs sur la planète, les organismes vivants n'euront qu'un répit de quelques heures, le temps que l'onde de chaleur et les cendres les atteignent. Ce fut notamment le cas en Asie centrale où pratiquement tous les grands dinosaures ont disparu en quelques mois, quelques rares individus ayant survécu quelques années après la catastrophe.

Seuls les animaux pouvant se cacher et vivants notamment dans les terriers, cavernicoles ou capables de s'abriter sous terre, sous l'écorce des arbres ou dans les troncs épais, dans les grottes ou dans l'eau ont pu échapper au déluge de feu et de poussière brûlante.

Parmi ces rescapés on retrouve une majorité de poissons, des reptiles aquatiques (lézards, tortues, crocodiles, grenouilles, etc), des insectes, de petits mammifères (les ancêtres du chien de prairie notamment) et même les rares oiseaux vivant dans des terriers ou capable de plonger. Mais aucun gros reptile et encore moins le T.Rex ne pouvait s'abriter sous terre, ce qui explique la disparition quasi instantanée des grands dinosaures.

Les tsumanis

Avec ses quelque 260 km de diamètre (presque la taille de la Belgique), il fallut environ 10 heures pour que le cratère d'impact se remplisse d'eau. Dans les océans, on assista à des glissements de terrain sur plusieurs centaines de mètres de profondeur générant en surface une vague mégacolossale. Un mégatsunami était en train de se former. Sous l'effet de cette vague gigantesque, par endroit l'eau qui séparait les îles du continent se retira permettant aux animaux de franchir des terres jusque là immergées.

Sous la violence de l'impact, un mégatsunami de 90 mètres de haut (certaines évoquent une vague de 300 mètres de hauteur) se forma. Vu son amplitude et sa puissance, cette vague mégacolossale s'est probablement enfoncée à plusieurs centaines de kilomètres dans les terres le long de plus de 20000 km de côte.

Les strates sédimentaires témoignent qu'au moins 6 vagues gigantesques successives ont déferlé sur les continents nord et sud américains. En d'autres termes, si une créature avait survécu au premier tsunami, elle risquait fort de ne pas survivre aux suivants. Puis cete vague destructrice disparut aussi vite qu'elle était apparue, ne laissant que la mort et la dévastation derrière elle dans un monde à l'agonie.

Reconstruction du cratère de Chicxulub peu après l'impact il y a 66 millions d'années.

Document Detlev Van Ravenswaay/Science.

Les gaz et les poussières

L’impact de Chicxulub vaporisa toutes les roches et le substrat dans un rayon de 6 à 12 km. La plume pyroclastique de vapeur brûlante qui s’éleva au-dessus du Yucatan était composée de trillions de tonnes de lave, de dioxyde de soufre, de gaz carbonique et de vapeur d’eau, des éléments qui composent d'ordinaire toute météorite ou comète.

Cette couche de carbonates et de sulfate devait avoir une épaisseur de 3 km et la température d'une lave très fluide soit plusieurs milliers de degrés. Les gaz et les poussières ont finalement été emportés dans la circulation atmosphérique générale et encerclèrent la Terre avant de retomber très lentement au sol.

A titre de comparaison, si un volcan explose et libère un centimètre cube de poussière dans l'atmosphère, Chicxulub libéra un mètre cube de poussière ! Ces débris furent portés à une température telle que la surface de la Terre devint une chaudière à la vitesse de l'éclair, les forêts se consumant dans le monde entier. Le ciel s’obscurcit tandis que la poussière retomba lentement sur un paysage brûlé vif.

Dans le golfe du Mexique et la région des Caraïbes, l’impact fut à ce point destructeur qu’il provoqua des tremblements de terre et des tsunamis qui renversèrent complètement les barrières de coraux et balayèrent totalement les zones intertidales.

Deux heures après l'impact, tout la planète fut recouverte par un épais manteau de cendre sous lequel brûla un immense brasier. Le vent engendré par la chaleur emporta la terre réduite à l'état de cendre, formant des tempêtes de poussière brûlantes atteignant 150°C qui exterminèrent les derniers survivants restés à l'air libre.

Une semaine après l'impact, la nourriture se fit rare sur Terre, surtout pour les grands herbivores; toute la végétation avait disparu. Les carnivores ont eu plus de chance car il y avait toujours de la "viande sur patte". Mais plus que jamais, ils durent lutter pour survivre.

Un mois après l'impact, toute la terre fut recouverte de boues et de cendres, transformant les prairies et les bois en désert minéral.

Scénario d'une extinction

ll y a 65 millions d'années la Terre fut frappée par un astéroïde dont les effets sur l'environnement mirent fin à l'ère des grands sauriens et de la moitié de toutes les espèces vivantes. Dessins T.Lombry et Simon/S-D-G.

Selon le géologue Kevin Pope, des modèles informatiques suggèrent que parallèlement au nuage d'éjectas émis dans l’atmosphère, le dioxyde de soufre se transforma en acide sulfurique au contact des nuages. En bloquant 10 à 20 % de la lumière du Soleil, ceux-ci ont empêché la photosynthèse végétale pendant 8 à 13 ans, refroissant la surface de la Terre d'au moins 10°C durant cette période. Ce fut l'hiver d'impact. On y reviendra car de nouvelles simulations ont permis de préciser l'évolution de ce changement climatique.

S’ajoute à ce cataclysme le fait que l’acide sulfurique et nitrique en suspension dans l’atmosphère engendrèrent une diminution de la quantité d’ozone et déversèrent sur le monde une pluie acide durant plusieurs années, acidifiant la surface des océans et tuant les derniers organismes restés à la surface, y compris les végétaux situés dans des régions jusque là épargnées.

Outre la chaleur dégagée par les éjectas, il est également possible que le gaz carbonique libéré au cours de l’impact ait provoqué un réchauffement de l’atmosphère par effet de serre. Cette augmentation resterait néanmoins inférieure à 2°C. Cet évènement ne provoqua probablement pas l’extinction massive des espèces car cette vapeur dût rapidement se combiner avec les oxydes de calcium ou de magnésium et se précipita sous forme de carbonates. Mais “l’hiver de Chicxulub” semble bien avoir eu lieu suite à la vaporisation des sulfates.

Enfin, dans tous les lacs ainsi que dans les dépressions où les animaux pensaient pouvoir boire un peu d'eau, les nuages toxiques de sulfure d'hydrogène libérés par les volcans ont achevé d'exterminer les derniers survivants.

Dans ces conditions apocalyptiques, il n’est pas surprenant qu’une fois la couche de poussière et les gaz toxiques dissipés et que les pluies se soient adoucies, 76 % des espèces vivants sur la terre ferme et quelques unes dans l’océan (certaines espèces de requins et de raies notamment) se soient éteintes.

L'hiver d'impact

En 2017, Julia Brugger de l'Institut de Postdam de Recherche sur l'Impact du Climat et ses collègues ont évalué les conséquences climatiques à long terme de l'impact de Chicxulub et notamment l'évolution de la température de l'air près du sol dans les années qui suivirent. Ils publièrent leurs résultats dans un article de neuf pages intitulé avec humour "Baby, it's cold outside"[10] (Chéri, il fait froid dehors). Intéressons-nous à ce changement climatique de l'après Chicxulub car c'est la première fois qu'il est décrit avec autant de détails.

Les premières études de l'hiver de Chicxulub par James Kasting, Michael Rampino et consorts dans les années 1980-1998 se concentraient sur les conséquences climatiques de l'injection de poussières dans la statosphère et son impact sur la photosynthèse. Toutefois, une étude publiée en 2001 par Kevin Pope montra que la taille microscopique des grains de poussière était trop faible pour expliquer les changements climatiques observés.

Si la poussière n'expliquait pas la chute de température, il restait l'hypothèse d'une influence des aérosols. Les chercheurs ont donc voulu savoir quel était l'impact des gaz sulfurés libérés par les évaporites (des roches salines) après l'impact sachant qu'une fois qu'ils atteignent la stratosphère, ils forment des aérosols sulfatés capables de bloquer le rayonnement solaire.

Simulation de la baisse de température de l'air près du sol dans les années qui suivirent l'impact de Chicxulub. Document T.Lombry basé sur J.Brugger al. (2017).

Pour obtenir la meilleure précision, leurs simulations furent couplées aux modèles de la circulation atmosphérique globale en tenant compte du dioxyde de carbone, de la circulation océanique globale et de la dynamique et la thermodynamique de la glace de mer.

Les données initiales étaient les suivantes. Deux simulations, l'une partant d'une température moyenne de l'air au niveau du sol de 18.9°C et une concentration de dioxyde de carbone de 500 ppm, la seconde de 21.6°C et une concentration double de dioxyde de carbone (1000 ppm).

Les paramètres de l'astéroïde impacteur étaient les suivants : un diamètre de 15-20 km et à moitié poreux (50 %) ayant une vitesse d'impact de 20 km/s. Connaissant les caractéristiques du sol de Chicxulub, les simulations indiquent que 100 Gt (100 milliards de tonnes) de soufre et 1400 Gt de dioxyde de carbone auraient été injectés dans l’atmosphère (soit 10000 fois la quantité de soufre produite par l'éruption du Pinatubo en 1991). La quantité de dioxyde de carbone injecté dans l'atmosphère augmenta sa concentration de 180 ppm. Les chercheurs ont ensuite étendu leurs simulations climatiques sur 100 et 1000 ans après l'impact selon la persistance des aérosols dans la stratosphère (2.1, 4.3 et 10.6 ans comme indiqué dans le graphique ci-dessus).

Bien après que les aérosols aient disparu de la haute atmosphère, les simulations montrent que dans le meilleur des cas (courbe bleue du graphique), celui où les aérosols sulfurés restèrent environ 2 ans en suspension dans la stratosphère, la température moyenne au sol chuta de 27°C dont le minimum fut atteint seulement 3 ans après l’impact. La température resta négative durant 3 ans. L'atmosphère ne retrouva sa température normale qu'environ 30 ans après l'impact. Durant cette période, jusqu'à 15 % de la superficie des océans furent gelés.

Dans le cas le moins favorable (courbe orange du graphique) où les aérosols ont subsisté dans la haute atmosphère pendant plus de 10 ans, la température moyenne au sol chuta de 34°C avec un minimum de -16°C atteint 9 ans après l'impact et resta négative durant 16 ans. Au plus fort de l'hiver d'impact, environ 30 % de la surface des océans furent gelés. Le retour à la normale dura plus de 50 ans.

Sachant que les océans ont une forte inertie thermique, les simulations indiquent que leur température évolua beaucoup plus lentement que celle de l’atmosphère. Quelques années après l'impact lorsque les eaux furent dégelées, le refroidissement des eaux de surface et leur remplacement par des eaux plus chaudes issus des profondeurs généra un énorme brassage et des mouvements de convection qui auraient entraîné la remontée de grandes quantités de nutriments, faisant littéralement exploser la quantité de plancton. La température des océans aurait retrouvé son niveau normal seulement 1000 ans après l'impact. Cela perturba vraisemblablement les populations marines généralement très sensibles aux variations de température.

En conclusion, s'il est difficile de démontrer que l'extinction de masse à la limite C/T fut uniquement provoquée par l'impact d'un astéroïde, les simulations de l'évolution du climat montrent que l'impact de Chicxulub eut également un effet dévastateur à long terme qui affecta autant la température de l'atmosphère que la circulation océanique, anéantissant de toute évidence une grande partie de la faune et la flore dans la plupart des biotopes.

Documentaires cinématographiques

Malgré les nombreuses questions encore ouvertes, ce scénario a fait l'objet de plusieurs documentaires cinématographiques d'un très grand réalisme. Citons en particulier le film "Les derniers jours des dinosaures" réalisé en 2010 par Richard Dale connu pour ses fameux documentaires historiques. Ce film dure 71 minutes et fait appel à des effets spéciaux saisissants de réalisme qui rendent compte de toute l'ampleur de cette catastrophe globale.

A voir : L'extinction des dinosaures

extrait de la série "Voyage aux origines de la Terre"

Citons également la superproduction "Voyage aux origines de la Terre" également réalisée en 2010. Il s'agit d'une série de 8 épisodes produits par une équipe internationale comprenant France Télévision et le National Geographic parmi d'autres producteurs dont le 7e épisode est consacré à l'extinction des dinosaures.

Voyons à présent comment la vie renaquit après ce mauvais coup du sort.

Prochain chapitre

La renaissance de la vie au Tertiaire

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[10] J.Brugger et al., "Baby, it's cold outside: Climate model simulations of the effects of the asteroid impact at the end of the Cretaceouse", Geophysical Research Letters, 44,1, 2017, pp.419-427.


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