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Les cratères
et les impacts météoritiques
Un cratère est une cavité de forme plus ou moins circulaire creusée à la surface d'une planète ou de tout astre présentant une surface solide (cela peut donc être aussi un astéroïde ou une comète). 
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Il existe des cratères d'origine volcanique, lorsque l'activité interne de l'astre donne ou a donné lieu dans le passé à un volcanisme, ainsi que des cratères d'impact ou astroblèmes, causés par la collision violente d'un autre corps céleste (météorite, astéroïde, noyau ou fragment de noyau de comète). C'est de ces derniers qu'il sera question ici.
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Profils d'un cratère volcanique et d'un cratère d'impact.
     Volcan terrestre      Cratère d'impact lunaire

La plupart des objets solides du Système solaire montrent les effets des impacts, remontant souvent à l'époque où de nombreux débris du processus de formation de notre système étaient encore présents. Sur Terre, cette longue histoire a été effacée par une géologie active, et seuls des cratères formés par des impacts récents subsistent. Sur la Lune, en revanche, la majeure partie de l'histoire de l'impact est préservée. Si l'on comprend ce qui s'est passé sur la Lune, on peut espérer appliquer cette connaissance aux autres objets présentant une surface cratérisée. La Lune est aussi particulièrement intéressante car elle partage l'histoire de la Terre depuis plus de 4 milliards d'années et  a conservé les traces d'événements dont la trace est perdue sur la Terre.

Les cratères de la Lune

Le processus de cratérisation.
Commençons par remarquer que les cratères sont très généralement circulaires et non ovales comme on aurait pu l'attendre dans le cas d'impacts sous des angles incidents très variés. La raison réside dans la vitesse de libération, c'est-à-dire la vitesse minimale qu'un corps doit atteindre pour se détacher définitivement de la gravité d'un autre corps; c'est aussi la vitesse minimale avec laquelle un projectile s'approchant de la Terre ou de la Lune frappera. Attiré par la gravité du corps plus grand, le morceau entrant frappe avec au moins une vitesse d'échappement, qui est de 11 kilomètres par seconde pour la Terre et de 2,4 kilomètres par seconde pour la Lune. À cette vitesse de fuite s'ajoute la vitesse que le projectile avait déjà par rapport à la Terre ou à la Lune, typiquement 10 kilomètres par seconde ou plus. À ces vitesses, l'énergie d'impact produit une violente explosion qui creuse un grand volume de matière de façon symétrique. Des photographies de cratères de bombes et d'obus sur Terre confirment que les cratères d'explosion sont toujours essentiellement circulaires. 

Les corps qui ont creusé des cratèreé à la surface de la Lune et des autres planètes étaient donc très rapides. Lorsqu'un tel projectile frappe une planète, il pénètre dans le sol sur une profondeur de deux ou trois fois son propre diamètre avant de s'arrêter. Pendant quelques secondes, son énergie cinétique est transférée en une onde de choc (qui se propage à travers le corps impacté) et en chaleur (qui vaporise la majeure partie du projectile et une partie du terrain environnant). L'onde de choc fracture la roche autour du point d''impact, tandis que la vapeur de silicate en expansion génère une explosion similaire à celle d'une bombe nucléaire qui a explosé au niveau du sol. La taille du cratère excavé dépend principalement de la vitesse d'impact, mais elle est généralement de 10 à 15 fois le diamètre du projectile.
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Formation d'un cratère d'impact.
Étapes de la formation d'un cratère d'impact. a) L'impact se produit. (b) Le projectile se vaporise et une onde de choc se propage à travers la roche lunaire. (c) Les éjectas sont expulsés hors du cratère. (d) La plupart des matériaux éjectés retombent pour recouvrir le cratère.

Une explosion d'impact du type décrit ci-dessus conduit à un type de cratère caractéristique. La cavité centrale est initialement en forme de bol (le mot cratère vient du mot grec qui signifie bol), mais le rebond de la croûte la remplit partiellement, produisant un sol plat et créant parfois un pic central. Autour du bord, des glissements de terrain créent une série de terrasses. Le bord du cratère est relevé par la force de l'explosion, de sorte qu'il s'élève au-dessus du sol et du terrain adjacent. 

Autour se trouve une couverture d'éjectas constituée du matériau projeté par l'explosion. Ces débris retombent pour créer une région accidentée et vallonnée, généralement à peu près aussi large que le diamètre du cratère. Lorsque l'impact a été plus violent, des éjectas supplémentaires tombent à de plus grandes distances du cratère, creusant souvent de petits cratères secondaires là où les débris projetés ont heurté la surface. Certains de ces flux d'éjectas peuvent s'étendre sur des centaines, voire des milliers de kilomètres du cratère, créant les rayons lumineux du cratère qui sont bien visibles sur les photos lunaires prises vers le moment de la pleine lune. Les rayons les plus brillants sont associés à de grands et jeunes cratères tels que Képler et Tycho.

Utilisation des dénombrements de cratères.
Si, comme la Lune au cours des 3 derniers milliards d'années, une planète ou un autre corps céleste a connu peu d'érosion à sa surface ou a eu une activité interne réduite, il est possible d'utiliser le nombre de cratères d'impact sur sa surface pour estimer l'âge de cette surface. Par âge, on entendra ici le temps depuis lequel une perturbation majeure s'est produite sur cette surface (à l'exemple des épanchements d'origine volcanique qui ont produit les mers lunaires).

Il est impossible de mesurer directement la vitesse à laquelle les cratères se forment sur la Terre et la Lune, car l'intervalle moyen entre les grands impacts de formation de cratères est plus long que toute la durée de l'histoire humaine. Cependant, le taux de cratérisation peut être estimé à partir du dénombrement des cratères sur les mers lunaires ou calculé à partir du nombre de d'impacteurs potentiels (astéroïdes et noyaux de comètes) présents dans le Système solaire aujourd'hui. Les deux raisonnements conduisent à peu près aux mêmes estimations.
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Le cratère Copernic, sur la Lune.
Le cratère Copernic a un diamètre de 93 km. Avec ses remparts en terrasse et son pic central,
il est typique des cratères de cette taille. Photo : Expédition Apollo 17, 1972 (Nasa).

Pour la Lune, ces calculs indiquent qu'un cratère d'un kilomètre de diamètre devrait être produit tous les 200 000 ans environ, un cratère de 10 kilomètres tous les quelques millions d'années et un ou deux cratères de 100 kilomètres tous les milliards d'années. Si le taux de cratérisation est resté le même, nous pouvons comprendre combien de temps il a fallu pour former tous les cratères que nous voyons cribler les mers lunaires. Les calculs montrent qu'il aurait fallu plusieurs milliards d'années. Ce résultat est similaire à l'âge déterminé pour les mers lunaires à partir de la datation radioactive des échantillons recueillis, et qui sont âgés de 3,3 à 3,8 milliards d'années.

Le fait que ces deux calculs concordent suggère que l'hypothèse originale des astronomes était juste. Nous avons de bonnes raisons de croire, cependant, qu'il y a moins de 3,8 milliards d'années, les taux d'impact devaient être beaucoup plus élevés. Cela devient immédiatement évident lorsque l'on compare le nombre de cratères des hautes terres lunaires avec ceux des mers lunaires. Typiquement, il y a 10 fois plus de cratères sur les hauts plateaux que sur une zone similaire des mers. Pourtant, la datation radioactive des échantillons des hautes terres a montré qu'ils ne sont qu'un peu plus âgés que les mers, généralement 4,2 milliards d'années plutôt que 3,8 milliards d'années. Si le taux d'impact avait été constant tout au long de l'histoire de la Lune, les hautes terres auraient dû être au moins 10 fois plus anciennes. Ils auraient donc dû se former il y a 38 milliards d'années, bien avant le début de l'univers lui-même.

En science, lorsqu'une hypothèse conduit à une conclusion invraisemblable, nous devons revenir en arrière et réexaminer cette hypothèse - dans ce cas, le taux d'impact constant. La contradiction est résolue si le taux d'impact a varié dans le temps, avec un bombardement beaucoup plus important il y a 3,8 milliards d'années. Ce «-bombardement massif » a produit la plupart des cratères que nous voyons aujourd'hui dans les hautes terres.
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Taux de formation de cratères sur la Lune en fonction du temps.
Evolution du taux de formation de cratères sur la Lune 
depuis 4,3 milliards d'années.

L'idée que de gros impacts (en particulier au début de l'histoire du Système solaire) ont joué un rôle majeur dans la formation des planètes ne s'accorde pas seulement à ce que l'on peut déduire de l'étude de la Lune. Il existe d'autres indications montrant qu'un certain nombre des caractéristiques actuelles de notre Système sont dues à son passé violent.

Les cratères météoritiques de la Terre

Où sont les cratères sur Terre?
La  Terre ne peut pas avoir échappé au bombardement par des débris interplanétaires qui a frappé la Lune. Bien sûr, la friction avec notre atmosphère consumme les petits fragments de débris cosmiques pour donner lieu au phénomène des étoiles filantes, mais, l'atmosphère offre un bouclier bien insuffisant contre les grands impacts, comme ceux qui formentdes cratères de plusieurs kilomètres de diamètre et qui sont communs sur la Lune.

Au cours de son histoire, la Terre a donc dû être aussi fortement impactée que la Lune. La différence est que, sur Terre, ces cratères sont détruits par une activité géologique intense qui renouvelle en permanence la surface de la planète. Les cicatrices des anciens impacts ne peuvent pas s'accumulert. Ce n'est qu'au cours des dernières décennies que les géologues ont réussi à identifier les restes érodés de nombreux cratères d'impact. 

Manicouagan.

Le cratère Manicouagan. -  Cette photographie prise par l'équipage de la navette spatiale Columbia en 1983 montre ce cratère d'impact, situé au Canada, qui est daté d'environ 200 millions d'années (jurassique), ce qui en fait l'un des plus anciens connus. Fortement érodé par les glaciers, il apparaît aujourd'hui sous la forme d'un lac annulaire (réservoir hydroélectrique) d'un diamètre de 70 kilomètres. (Crédit : Nasa).

Impacts récents.
Des preuves d'impacts relativement récents peuvent être trouvées à la surface de notre planète. Deux événements importants ont eu lieu depuis le début du XXe siècle, mais n'ont pas laissé de cratère. Un peu plus ancien est l'impact qui a formé le Méteor Crater, au Etats-Unis. Le peuplement de cette partie du monde n'a commencé que 25.000 plus tard, mais dans le reste du monde des Humains taillaient déjà des silex.

L'événement de la Tunguska.
Une collision historique bien étudiée a eu lieu le 30 juin 1908, dans le bassin de la rivière Tunguska en Sibérie. Dans cette région désolée, il y a eu une explosion remarquable dans l'atmosphère à environ 8 kilomètres au-dessus de la surface. L'onde de choc a couché plus de mille kilomètres carrés de forêt . Des troupeaux de rennes et d'autres animaux ont été tués et un homme situé à 80 kilomètres de l'explosion a été jeté de sa chaise et a perdu connaissance. L'onde de choc s'est propagée dans le monde entier, et a été enregistrée par des instruments conçus pour mesurer les changements de pression atmosphérique.

Malgré cette violence, aucun cratère n'a été formé par l'explosion de la Tunguska. Brisé par la pression atmosphérique, le projectile pierreux d'une masse d'environ 10 000 tonnes s'est désintégré au-dessus de la surface de notre planète pour créer une explosion équivalente à une bombe nucléaire de 5 mégatonnes. S'il avait été plus petit ou plus fragile, le corps impactant aurait dissipé son énergie à haute altitude et n'aurait probablement attiré aucune attention. Aujourd'hui, ces explosions atmosphériques à haute altitude sont surveillées régulièrement par des systèmes de surveillance militaires.
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Forêt de la Tunguska après l'événement de 1908.
Cette photographie prise 21 ans après l'événement de la Tunguska
montre les dégâts causés sur la forêt par l'explosion.

S'il avait été plus grand ou fait d'un matériau plus solide (comme du métal), le projectile de la Tunguska aurait atteint la surface du sol et aurait explosé pour former un cratère. Au lieu de cela, seuls la chaleur et le choc de l'explosion atmosphérique ont atteint la surface. Imaginez si le même impacteur rocheux avait explosé au-dessus d'une zone très peuplée; les livres d'histoire pourraient aujourd'hui l'enregistrer comme l'un des événements les plus meurtriers de l'histoire humaine.

L'événement de Tcheliabinsk.
Le 15 février 2013, des dizaines de milliers de personnes ont été directement témoins de l'explosion d'un petit projectile (20 mètres de diamètre et près de 10 000 tonnes) au-dessus de la ville russe de Tcheliabinsk, dans le Sud de l'Oural. Il a explosé à une hauteur de 21 kilomètres dans un éclat de lumière plus lumineux que le Soleil, et l'onde de choc de l'explosion de 0,5 mégatonne a brisé des dizaines de milliers de fenêtres et envoyé des centaines de personnes à l'hôpital. Les fragments de roche (météorites chondritiques) ont été facilement récupérés par les gens de la région après l'explosion, car ils ont atterri sur la neige fraîche. 
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Le cratère Barringer.
Le cratère récent le plus connu sur Terre s'est formé il y a environ 49 000 ans en Arizona. Dans ce cas, le projectile était un morceau de fer d'environ 40 mètres de diamètre. Maintenant appelé Meteor Crater ou cratère Barringer, le cratère possède toutes les caractéristiques associées à des  cratères d'impact lunaires de taille similaire. Meteor Crater est l'une des rares caractéristiques d'impact sur Terre qui reste relativement intacte; certains cratères plus anciens sont tellement érodés que seul un oeil entraîné peut les distinguer. Néanmoins, plus de 150 ont été identifiés. 
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Cratère Barringer (Meteor crater)
Le cratère Barringer (Meteor Crater), en Arizona. - Ce cratère d'impact formé il y a près de 50.000 ans mesure 1,2 km de diamètre. (Crédit: D. Roddy, LPI) .

Extinction de masse.
L'impact qui a produit Meteor Crater aurait été  dramatique pour tous les humains qui en auraient été témoins puisque le dégagement d'énergie équivalait à une bombe nucléaire de 10 mégatonnes. Mais de telles explosions ne sont dévastatrices que régionalement; elles n'ont pas de conséquences mondiales. Des impacts beaucoup plus importants (et plus rares) peuvent cependant perturber l'équilibre écologique de la planète entière et influencer ainsi le cours de l'évolution du vivant.

L'impact important le mieux documenté s'est produit il y a 65 millions d'années, à la fin du Crétacé, et qu'on appelle l'événement K-T, ou événement d'extinction de masse du Crétacé-Tertiaire. Cet épisode violent est marqué par une extinction massive : 70% des espèces vivantes de notre planète se sont éteintes. Il existe au moins une douzaine d'extinctions de masse dans les archives géologiques, mais cet événement particulier a toujours intrigué les paléontologues car il marque la fin de l'âge des Dinosaures. Pendant des dizaines de millions d'années, ceux-ci avaient prospéré. Puis, ils ont soudainement disparu (ainsi que de très nombreuses autres espèces), et par la suite, les Mammifères ont commencé le développement et la diversification qui a vu l'émergence de l'Humain.
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Cratère de Chicxulub.
Les contours de la structure découverte en 1990, et appelée le cratère Chicxulub, sont visibles dans la représentation ci-dessus des données de gravité et de champ magnétique de la région. La carte, à droite, montre l'emplacement de ce cratère d'impacte au Nord de la péninsule du Yucatan, au Mexique. Le cratère est maintenant enseveli sous 500 m de sédiments. (Crédit :  V.L. Sharpton, LPI / Carport).

L'objet qui est entré en collision avec la Terre à la fin du Crétacé, et dont on pense qu'il est le responsable principal de cette extinction massive, a frappé une mer peu profonde dans une région qui est maintenant occupée par la péninsule du Yucatan au Mexique. Sa masse devait être supérieure à un milliard de tonnes, à en juger par l'étude d'une couche de sédiments déposés à travers le monde par le nuage de poussière qui a enveloppé la planète après son impact. Identifiée pour la première fois en 1979, cette couche de sédiments est riche en métaux (iridium et autres éléments) relativement abondants dans les astéroïdes et les comètes, mais extrêmement rares dans la croûte terrestre. De plus, elle contient de nombreux minéraux caractéristiques des températures et des pressions que l'on attend lors d'une gigantesque explosion.

L'impact a creusé un cratère de 200 kilomètres de diamètre et qui était suffisamment profond pour pénétrer à travers la croûte terrestre. Ce grand cratère, nommé Chicxulub du nom d'une petite localité près de son centre, a ensuite été enterré dans les sédiments, mais ses contours peuvent encore être identifiés. L'explosion qui a créé le cratère Chicxulub, si elle a été , comme on l'a dit, causée par un objet d'un milliards de tonnes, a soulevé cent fois plus de poussière dans l'atmosphère

L'impact a dû générer des tempêtes de feu (déclenchées par les débris chauds projetés par l'explosion), des raz de marée, des tremblements de terre et des ouragans. Mais surtout, cette énorme quantité de matière en suspension dans l'air et répandue tout autour de la planète a bloqué la lumière du Soleil, plongeant la Terre dans une période de froid et d'obscurité qui a duré plusieurs mois. De nombreuses plantes dépendantes du Soleil sont mortes, laissant des animaux mangeurs de plantes sans ressources alimentaires. Parmi les autres effets mondiaux, il y a dû exister une longue période pendant laquelle les eaux de pluie étaient acides. Ce sont donc ces effets environnementaux globaux, plutôt que l'explosion elle-même, qui sont responsables de l'extinction de masse.

Il est clair que de nombreuses extinctions, peut-être les plus massives, sont le résultat de diverses autres causes, mais dans le cas du tueur de dinosaures, l'impact cosmique a certainement joué un rôle critique dans une série de troubles climatiques qui ont entraîné l'événement d'extinction de masse du Crétacé-Tertiaire.

Les impacts à venir.
Des collisions avec des astéroïdes ou des noyaux cométaires sont encore possibles. A l'échelle de l'histoire du Système solaire, 65 millions d'années c'est très court. Cela signifie que des collisions très destructrices correspondent à un risque toujours actuel. D'où la nécessité vitale que de prédire le prochain grand impact afin de pouvoir protéger notre planète d'une manière ou d'une autre. Le fait que notre Système solaire abrite de très grosses planètes sur des orbites extérieures peut nous être bénéfique; les champs gravitationnels de ces planètes peuvent être très efficaces pour attirer les débris cosmiques et nous protéger des impacts plus importants et plus fréquents. Ils peuvent aussi jouer en sens inverse et perturber les orbites de petits objets et placer ceux-ci sur la trajectoire de la Terre.

À partir des années 1990, quelques astronomes ont commencé à analyser le danger d'impact cosmique et à persuader le gouvernement de soutenir la recherche d'astéroïdes potentiellement dangereux. Plusieurs petits télescopes à champ large sophistiqués sont maintenant utilisés pour ce programme de recherche, qui s'appelle le NASA Spaceguard Survey. Nous savons déjà qu'il n'y a actuellement aucun astéroïde sur une trajectoire de collision avec la Terre qui soit aussi gros (10-15 kilomètres) que celui qui a tué les dinosaures. Le programme se concentre désormais sur la recherche de plus petits impacteurs potentiels. 

En 2015, la recherche avait déniché plus de 15 000 astéroïdes proches de la Terre, dont la plupart de ceux de plus d'un kilomètre. Aucun de ceux découverts jusqu'à présent ne représente un danger pour nous. Bien sûr, nous ne pouvons pas faire une déclaration similaire sur les astéroïdes qui n'ont pas encore été découverts, mais ceux-ci seront trouvés et évalués un par un pour leur danger potentiel. 
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Cratères d'impact en Mongolie
Cratères d'impact en Mongolie et, ci-dessous au Congo (RDC).
Sources : Nasa /  Nasa Earth Obsertvatory.
Cratères d'impact au Katanga : Luizi.
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