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Histoire des atmosphères |
Il y a 4,5 milliards d'années le Soleil jeune était moins lumineux de 30% environ. Depuis cette époque, l'albédo des planètes a probablement varié à cause d'une couverture nuageuse différente, de la présence de calotte polaire ou de l'activité volcanique éjectant une quantité importante de poussières dans l'atmosphère. Les variations de l'albédo, du flux solaire et de l'effet de serre ont certainement modifié les températures de surface. D'autres facteurs comme la variation temporelle de l'inclinaison et de l'excentricité de la planète (sur Terre de 40 000 à 100 000 ans – cycle de Milankovitch) modifie l'illumination des planètes par le Soleil, et ont conduit à des changements climatiques importants (âges glaciaires).
La proximité entre Vénus, la Terre et Mars nous font penser que leur composition initiale était semblable. Actuellement, Vénus et Mars ont une composition proche (CO2, N2), mais ont une énorme différence de pression et de température. La Terre, elle, a une composition différente (N2, O2).
Quelle a pu être l'évolution de la composition de leur atmosphère, ainsi que de leur surface (océans, calotte polaire) et de leur température, pouvant expliquer de telles différences ? Pourquoi l'eau est-elle abondante sur Terre, alors que Vénus est pratiquement sèche et Mars aride ? Les paragraphes suivants permettront de comprendre la succession des évènements qui semblent expliquer les différentes atmosphères actuelles.
Mercure n’a probablement pas eu une atmosphère primitive comme les autres planètes telluriques à cause de sa proximité avec le Soleil. De plus, sa faible masse et les températures élevées autorisent une vitesse de libération faible. Ainsi son atmosphère secondaire formée par le dégazage des roches s’est rapidement échappée au cours du temps, aidée aussi par l’intense flux du rayonnement UV solaire.
Il faut noter que la cratérisation intense de la surface nous indique que l'atmosphère a disparu avant la fin du bombardement tardif de planétésimaux (environs 700 millions d'années après sa formation). Par conséquent, il est difficile d’établir une chronologie plus détaillée des processus physiques qui ont permis l’échappement de son atmosphère, puisque les traces potentielles d'érosion ont dû être effacées avec le bombardement tardif.
Vénus a probablement possédé autant d'eau que sur la Terre. Avec une température probablement inférieure à 100°C (le Soleil jeune était moins intense), l'eau se trouvait sous forme liquide formant des océans. Cependant, Vénus étant plus proche du Soleil, sa température était nécessairement plus chaude que celle de la Terre, permettant progressivement une évaporation plus importante des océans. Une grande quantité de vapeur d'eau augmente l'efficacité de l'effet de serre et par conséquent la température, qui à son tour fait croître à nouveau l'évaporation. Lorsque la température dépasse celle du point critique de l'eau (374°C), l'eau se retrouve à l'état gazeux sous forme de vapeur d'eau et il n'y a plus de pluie qui permet de soustraire le gaz carbonique. Le cycle du carbone est stoppé, ce qui entraîne une augmentation irrémédiable de la quantité de CO2 par le volcanisme et par conséquent de la température de l'atmosphère. On désigne cette situation par "emballement de l'effet de serre".
D'autre part, les fortes températures de la basse atmosphère permettent à la vapeur d'eau de s'élever par convection dans la haute atmosphère. Dans cette région, des réactions photochimiques avec le rayonnement UV solaire permettent de photodissocier (ou briser) la molécule d'eau (H2O) pour séparer l'hydrogène (H) et l'oxygène (O). L'hydrogène étant léger s'échappe de l'atmosphère. L'oxygène peut aussi être éliminé soit par des processus d'échappement non-thermiques, soit par l'oxydation des sols, qui sont perpétuellement régénérés par l'activité volcanique. Au final, on obtient une atmosphère sèche, ce qui explique bien l'absence de vapeur d'eau sur Vénus.
La rupture du cycle du carbone, augmente le gaz carbonique dans l'atmosphère. Une partie du gaz carbonique est tout de même soustraite par des transformations chimiques (sans eau) avec les roches silicatées de surface, produisant des roches carbonatées. L'équilibre est atteint pour des pressions de gaz carbonique et des températures observées de 90 bar et 430°C.
Après la formation de la Terre, le faible flux solaire aurait dû geler l'eau, mais l'absence de glaciers il y a 4 milliards d'années semble indiquer que la température était bien plus clémente et qu'il y avait des océans. A cette époque, suite au dégazage, le gaz carbonique était beaucoup plus abondant qu'aujourd'hui permettant ainsi un effet de serre bien plus important. Cet effet a permis de maintenir une température moyenne proche de celle d'aujourd'hui (~ 15°C). Au fur et à mesure, l'intensité du Soleil a augmenté et le niveau de gaz carbonique a diminué à cause du cycle du carbone qui a transformé la plupart du gaz carbonique en roches carbonatées. A l'heure actuelle, on trouve uniquement des traces de gaz carbonique dans l'air. Par ailleurs, le développement intense de la vie sur Terre (il y a environ 2 milliards d'années) a favorisé l'augmentation de l'oxygène dans l'atmosphère grâce à la photosynthèse des plantes. Le cycle du carbone et le développement de la vie explique que notre atmosphère actuelle est composée principalement d'azote et d'oxygène.
Sur Terre, il y a un équilibre stable entre l'effet de serre et le cycle du carbone qui permet de réguler les températures moyennes entre 5 et 20°C évitant ainsi un effet de serre divergent comme sur Vénus. Lorsque la température augmente, l'humidité augmente à cause des pluies plus fréquentes, ce qui altère plus les sols et diminue la quantité de gaz carbonique. Par conséquent, l'effet de serre diminue et la température baisse. Inversement, si la température diminue fortement jusqu'à la congélation de l'eau ( 0°C), il s'arrête de pleuvoir et le cycle du carbone s'interrompt. Le volcanisme, lui, persiste et provoque l'augmentation de la quantité de gaz carbonique. Cette fois-ci, l'effet de serre augmente et la température avec, permettant la fonte des glaces et des calottes polaires, puis l'évaporation des océans jusqu'à réanimer le cycle de l'eau (évaporation et pluies) et par conséquent celui du carbone. Un autre paramètre important pouvant altérer cet équilibre est l'activité de l'homme (aérosols, agriculture, combustion, etc), responsable de l'augmentation artificielle du niveau de gaz carbonique et d'autres gaz à effet de serre (CH4, polluants, etc). L'activité humaine doit absolument être maîtrisée pour éviter d'atteindre la zone dangereuse du régime d'emballement de l'effet de serre comme sur Vénus, qui serait un point de non-retour.
Les traces de lits de rivières à la surface de Mars sur des terrains géologiques anciens (Tharsis) prouvent que l'eau a coulé à la surface de Mars pendant les premiers 500 millions d'années. Un océan d'environ 150 mètres de profondeur a pu exister. La température était donc supérieure à 0°C et la pression supérieure à quelques bars, ce qui implique une forte concentration de gaz à effet de serre (CO2, H2O) et surtout un climat chaud et humide. Dans ces conditions, le cycle du carbone a transformé la majeure partie du gaz carbonique en roches carbonatées, comme sur Terre.
Par la suite, le bombardement tardif de planétésimaux (environs 700 millions d'années après la formation) et la relative faible gravité de la planète a probablement éliminé une partie de l'atmosphère soufflée par des impacts. D'autre part, la datation des terrains géologiques a permis de constater que les rivières ont disparu au bout d'environ 1 à 2 milliards d'années, ce qui coïncide avec la baisse de l'activité volcanique. Mars est une petite planète qui s'est refroidie plus rapidement que la Terre et Vénus, arrêtant ainsi volcanisme et activité tectonique et empêchant la régénération du gaz carbonique atmosphérique. Il faut noter que la variation temporelle (de 100 000 ans à 1 million d'années) de l'inclinaison et de l'excentricité de la planète a accentué la formation de calottes polaires et le refroidissement à la surface.
L'arrêt du cycle du carbone, l'érosion de l'atmosphère et les changements climatiques ont contribué à des degrés différents à diminuer la quantité de gaz à effet de serre jusqu'aux pressions actuelles (7 mbar), refroidissant ainsi l'atmosphère jusqu'aux températures actuelles (-50°C). Une partie de l'eau s'est congelée sur les calottes polaires, et une autre a disparu en s'infiltrant dans les sous-sols sous forme de pergélisol. Une dernière partie s'est échappée de l'atmosphère à la suite de la photodissociation de l'eau (comme sur Vénus).
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