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Comment a-t-on déterminé l’âge de la Terre ?

Représentation du XVIIᵉ siècle de la Terre dans l’espace, gravure de Matthias Merian publiée dans l’Atalanta Fugiens de Michael Maier (1618), Oppenheim, Germany : Johann-Theodor de Bry. Science History Institute

Nous connaissons la dimension du globe terrestre depuis le IIIe siècle av. J.-C., la distance Terre-Soleil depuis la seconde moitié du XVIIe siècle, mais l’époque de sa formation n’est connue que depuis les années 1950. Pourquoi a-t-il fallu attendre si longtemps ?

En fait, ce n’est qu’aux XVIIe et XVIIIe siècles que l’âge de la Terre est devenu une question scientifique. Auparavant, les lettrés qui s’intéressaient à la question se contentaient, en Occident tout au moins, de compter les générations répertoriées dans la Bible entre la création du monde et des événements pour lesquels on dispose de traces historiques. C’est ainsi que Johannes Kepler proposa 3993 avant J.C., et Newton, 3998. Mais le record de précision fut sans conteste celui de James Usher, un pasteur anglican, qui en 1658 data l’instant zéro au soir du 28 octobre 4004 av. J.-C.

Peu à peu, cependant, l’idée émergea de cesser de se référer à un texte, fusse la Bible, et de rechercher dans les phénomènes naturels des chronomètres objectifs. Le chantier une fois ouvert, les idées ne manquèrent pas, même s’il fallut du temps pour trouver le « bon » chronomètre.

Des idées à foison

Edmond Halley avec un diagramme montrant les différentes couches de sa théorie de la Terre creuse, vers 1736. Portrait de Michael Dahl. Wikimedia

Ainsi Edmond Halley, eut l’idée que la salinité de la mer était due à l’apport des rivières, qui dissolvent sels et minéraux des terrains qu’elles érodent. Comme l’eau qui s’évapore des océans ne contient pas de sel, celui-ci s’accumule au cours des âges. Halley ne savait pas comment chiffrer le rythme de cette accumulation, mais l’idée était lancée. Elle fut reprise par John Joly en 1899, qui obtint une valeur d’environ 100 millions d’années – ce qui donnait une limite inférieure à l’époque de formation de la Terre.

Les dépôts sédimentaires, à la fin du XVIIe siècle, donnèrent aussi accès aux temps longs. En mesurant les vitesses de sédimentation dans des lacs, afin de les extrapoler à des sédiments océaniques, le comte de Buffon obtint quelques millions d’années. Là aussi, il s’agissait nécessairement d’une limite inférieure de l’âge de la Terre.

Portrait du comte de Buffon par François-Hubert Drouais, en 1753. Musée Buffon/Wikimedia

Mais l’idée qui connut le plus de développements fut sans doute la suivante. Lorsqu’on s’enfonce dans la terre, par exemple pour creuser des mines, on constate qu’en moyenne la température augmente à raison de 1 degré tous les 30 mètres. Si l’on extrapole cette valeur, on obtient le millier de degrés à quelques dizaines de kilomètres de profondeur. D’où l’idée, renforcée par l’existence des volcans, que la Terre est un globe constitué de roches en fusion se refroidissant par sa surface. Cette idée fut développée Buffon, par Joseph Fourier au début du XIXe siècle, et surtout par Lord Kelvin dans la seconde moitié du XIXe siècle. Elle donna lieu à un conflit passionnant entre la physique, représentée par Lord Kelvin, et la géologie, représentée par Charles Darwin.

Le conflit Kelvin-Darwin

Lord Kelvin. Smithsonian Libraries/Wikimedia

Kelvin était capable de calculer de deux façons indépendantes l’âge du système solaire. La première méthode donnait l’âge de la Terre, la seconde donnait une estimation de l’âge du soleil. Dans la conception proposée par Laplace et Kant d’une « nébuleuse primitive » à l’origine de l’ensemble du système solaire, ces deux âges devaient être voisins.

Pour le premier, il utilisait la théorie de la propagation de la chaleur dans un milieu rigide (loi de Fourier) pour calculer la durée écoulée pour que le gradient thermique de surface, supposé initialement abrupt, atteigne la valeur actuelle de 30 degrés par kilomètre.

Pour le second, en attribuant l’origine de l’énergie solaire à la gravitation, il pouvait estimer l’âge du soleil. L’idée est la suivante : une étoile se forme par effondrement gravitationnel d’une masse de gaz et de poussières initialement diluée. En se contractant, elle se réchauffe, et en se réchauffant, elle rayonne. Comme le système peut être considéré comme isolé, son énergie demeure constante. Autrement dit, l’énergie rayonnée est fournie par l’énergie mécanique. Or la mécanique classique permet de calculer cette énergie mécanique en fonction de la taille de l’étoile et de sa masse. En supposant que le Soleil a toujours rayonné comme aujourd’hui – hypothèse grossière, mais qui donne le bon ordre de grandeur – on obtient une estimation du temps écoulé depuis le début de la contraction jusqu’à sa taille actuelle.

Dans les deux cas, Kelvin trouvait quelques dizaines de millions d’années. Une telle coïncidence ne pouvait être fortuite, il fallait bien qu’il y eût quelque chose de vrai dans ces estimations concordantes.

Portrait de Charles Darwin réalisé en 1868 par Julia Margaret Cameron. Wikimedia

Pour Charles Darwin et les géologues de son époque, ça ne convenait pas. Ils se seraient bien accommodés d’une Terre éternelle en constante transformation. Aucune trace de début, aucune perspective de fin, tel était leur cadre de pensée, aussi éloigné que possible de la Bible. Éroder des montagnes, déposer des sédiments sur plusieurs kilomètres d’épaisseur, faire évoluer les espèces, cela se chiffrait pour Charles Darwin en centaines de millions d’années – même s’il ne disposait pas de chronomètres absolus pour calculer ces évolutions temporelles.

Le passionnant de l’histoire, c’est que Darwin avait raison, mais sans être capable de le prouver, et que Kelvin avait tort, car il faisait des calculs justes à partir de deux hypothèses fausses : celle d’une terre totalement rigide et l’absence de source de chaleur interne.

John Perry, un étudiant de Kelvin, tenta bien de lui faire remarquer que si la roche en fusion sous la croûte solide était animée de mouvements de convection, le gradient thermique observé devenait compatible avec un âge de plusieurs milliards d’années. Mais il ne parvint pas à convaincre son maître.

Quant à la seconde hypothèse, Kelvin ne pouvait pas savoir que la Terre contient des éléments radioactifs, notamment l’uranium, le potassium et le thorium, qui en se désintégrant apportent une source de chaleur non négligeable. Aujourd’hui, le flux géothermique (l’énergie qui s’échappe de la surface par seconde et par mètre carré) est estimé être dû pour une grosse moitié à la chaleur interne initiale et pour une petite moitié à la radioactivité.

La radioactivité résout le conflit en fournissant le bon chronomètre

En effet, la transformation d’un noyau radioactif suit une loi parfaitement déterministe : le temps au bout duquel une population de noyaux instables est divisée par deux est une constante, qu’on appelle période radioactive de l’élément. La nature est généreuse : elle fournit des noyaux radioactifs avec toute la gamme de périodes possibles, de la fraction de seconde au milliard d’années ! Ainsi, l’isotope 235 de l’uranium a une période de 700 millions d’années ; l’isotope 238, une période de 4,5 milliards d’années. Ils se désintègrent chacun en un isotope particulier du plomb, après émission de plusieurs noyaux d’hélium.

Fritz Houtermans en 1927 à l’Institut de Physique de l’Université de Göttingen en 1927. Wikimedia

Fritz Houtermans en 1953 et Clair Paterson en 1956 furent deux initiateurs remarquables de cette méthode. Voici leur « recette » : prenez une météorite, car elle est demeurée identique à elle-même depuis la formation du système solaire (sauf peut-être sa surface, soumise aux rayonnements cosmiques), mesurez sa concentration en plomb radiogénique (c’est-à-dire qui provient de la transformation radioactive de noyaux d’uranium), et bingo : vous déterminez l’âge de la météorite, et du coup, celui de la Terre, du Soleil, et de tous les autres membres de la famille ! Répétez l’opération sur une collection de météorites différentes, et voyez si ça converge. Et là, ça converge !

L’âge de la Terre, et celui du système solaire, est de 4,567 milliards d’années, avec une incertitude de quelques dizaines de millions d’années. C’est une connaissance aujourd’hui stabilisée.


Pour en savoir plus, le lecteur pourra se référer aux livres « La Terre, des mythes au savoir » d’Hubert Krivine aux Éditions Cassini et « Quel est l’âge de la Terre ? » de l’auteur du présent article aux Éditions Le Pommier.

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