Astronomie et Mécanique Céleste
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- Du Big Bang aux planètes

Evolution des atmosphères I

Introduction

Pendant la formation des atmosphères secondaires (environ 10-100 millions d'années après la formation de la planète), leur composition et leur température ont été modifiées par de nombreux facteurs tels que : la chimie, l'activité biologique (Terre), l'échappement atmosphérique, l'échange entre atmosphère/surface/océan (e.g. cycle du carbone), et l'effet de serre. Chacun de ces facteurs est complexe, et nous ne détaillerons dans cette partie que l'échappement atmosphérique d'origine thermique et le cycle du carbone.

Echappement atmosphérique

C'est la gravité des planètes qui retient leur atmosphère. Si un corps ou une molécule acquiert une vitesse supérieure à une certaine vitesse appelé vitesse de libération il quitte définitivement la planète. Chaque planète a une vitesse de libération (Vlib) différente qui dépend de sa gravité (g) et de son rayon (R): V_lib=sqrt(2 g R). Les vitesses de libération pour Vénus, la Terre et Mars sont respectivement de 10, 11 et 5 km/s (ou encore 36000, 39600 ou 18000km/h resp.).

A cause de l'agitation thermique, une molécule de masse molaire m, dans une atmosphère de température T, a une vitesse thermique (Vt) proportionnelle à sqrt(T/m) . Si la vitesse thermique est supérieure à la vitesse de libération il y a échappement de l'atmosphère. En pratique, ce sont principalement les atomes légers présents dans la très haute atmosphère peu dense (exosphère, P~10-11 bar) qui peuvent atteindre des vitesses thermiques suffisantes pour s'échapper sans qu'il y ait de collisions avec d'autres atomes. Sur la Terre et Mars, l'hydrogène (H) présent dans l'exosphère s'échappe ainsi quotidiennement. Sur Vénus, il existe d'autres processus d'échappement non thermiques complexes qui peuvent être beaucoup plus efficaces, comme par exemple le criblage de l'atmosphère par des particules énergétiques. En effet, contrairement à la Terre, Vénus n'a pas de bouclier magnétique (plus connu sous le nom de magnétosphère) pour la protéger.

En bref...

Ce qu'il faut retenir, c'est que la vitesse de libération d'une planète est le paramètre clé qui lui permet de conserver ou non son atmosphère. De plus, en règle générale, que le processus d'échappement soit d'origine thermique ou non-thermique, plus la molécule est légère et plus la température est élevée, plus elle s'échappe facilement de la planète. Par conséquent, les processus d'échappement jouent un rôle important dans la modification de la composition atmosphérique.

  • La Terre a pu conserver une atmosphère, contrairement à la Lune, grâce à sa plus grande gravité.
  • Vénus, la Terre et Mars ont une atmosphère composée principalement de carbone, d'azote et d'oxygène parce que leur masse moléculaire (>12g/mol) est plus lourde que celle de l'hydrogène (H) ou de l'hélium (He) (<4g/mol).
  • Malgré la taille comparable de Mars et Mercure, cette dernière a perdu son atmosphère à cause de sa température bien plus chaude.
Planète R (km) g (m/s^2) Vlib (km/s)
Mercure 2439 3,70 04,2
Vènus 6051 8,83 10,4
Terre 6378 9,80 11,2
Mars 3189 3,72 05,0

Tableau de la gravité et de la vitesse de libération des planètes telluriques

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