Les planètes telluriques - Philippe Rousselot Professeur Université de FC - CNRS
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Les planètes telluriques Philippe Rousselot Professeur Université de FC Copie pdf des diapos : perso.utinam.cnrs.fr/~phil/uo1.php
Mercure : Petite planète longtemps « délaissée » : seulement une sonde avant Messenger en 2004 : Mariner 10 (1975) « partagée » avec Vénus, et qui n’a effectué que trois survols de Mercure (entre mars 1974 et mars 1975) Forte densité (entre Vénus et la Terre) : 5,43 g/cm3 gros cœur de fer (75% en rayon, 40% en volume) ?? Manteau arraché par une collision ??
Période de rotation : 58,646 j Durée du jour : 176 j (alors que Mercure tourne en 88 j autour du Soleil !)
La NASA a lancé la mission MESSENGER (Mercury Surface, Space Environnment, Geochemistry and Ranging) le 3 août 2004. → satellisation en mars 2011. → premier survol le 14 janvier 2008 à 200 km de la surface : Image obtenue 58 mn avant le survol. (18000 km de distance, 500x500 km) Image obtenue 55 mn avant le survol (18000 km de distance, le cratère mesure 200 km)
Quelques résultats obtenus avec les observations de MESSENGER : → Découverte de nombreux « creux » : petites dépressions probablement formées par la perte d'éléments volatils par les roches de surface profondeur moyenne 24 m, formations récentes (moins de 300 millions d'années).
Faible albédo (11 %, comparable à la Lune) difficile à expliquer : → Avant MESSENGER albédo expliqué par analogie avec le cas lunaire (altération spatiales – micrométéorites + irradiation dû au vent solaire – sur les minéraux ferreux). → Problème : très faible teneur en fer à la surface.
L’ESA, avec le Japon prépare la mission Bepi Colombo : → Lancement en 2018 et satellisation en 2024 durant 1 an. → Deux sondes : Mercury Planetary Orbiter (MPO, ESA) et Mercy Magnetospheric Orbiter (MMO, Japon) → Températures élevées, jusqu'à 350°C
Vénus Astre le plus brillant après le Soleil et la Lune. D'un point de vue historique... → Longtemps considérée comme deux planètes distinctes : reconnue comme une seule planète du temps des romains (déesse de l’amour et de la beauté). → En 1610 premières observations à la lunette par Galilée : découverte des phases. → Observation des transits en 1761 et 1769, pour déterminer l’unité astronomique
A la veille de l’ère spatiale peu de choses étaient connues sur Vénus, à cause de son épaisse atmosphère : → Diamètre estimée à 12200 km (100 km de trop, à cause de l’atmosphère) → Présence massive de CO2 (hauteur équivalent de 3 km contre 3 cm sur Terre) → Période de rotation estimée à 4 jours (Charles Boyer). Rien à voir avec celle de la surface solide… → Masse estimée à 0,81 masse terrestre.
Exploration spatiale de Vénus 1ère sonde à survoler Vénus : Mariner 2 (USA, 1962) Tirée le 27 août 1962 Survol de Vénus le 14 décembre 1962, à 34000 km Etude de l’atmosphère : T500°C Etude du vent solaire
Après Mariner 2 de nombreuses sondes ont visité Vénus : → Série des sondes Venera (URSS) : Venera 4 à Venera 16, entre 1967 et 1984 → Mariner 5 (USA) en 1967 → Mariner 10 (USA) en 1974 → Pioneer Venus 1 et 2 (USA) en 1978 → Vega 1 et Vega 2 (URSS) en 1985 → Magellan (USA) en 1990
Sondes Venera : → Dédiées principalement à l’étude de l’atmosphère et aux conditions physiques régnant au niveau du sol. → Venera 4 : première étude in situ de l’atmosphère (largage d’une sonde avec un parachute le 18/10/67… qui a fonctionné jusqu’à 25 km d’altitude). → Venera 7 : premier atterrissage réussi, le 15/12/70. La sonde a émis depuis la surface pendant 23 mn. → Principale conclusion : Vénus est un enfer !! Tsurface 460°C et Psurface 92 atmosphères !
La surface de Vénus photographiée par Venera 13 :
→ Mariner 5 (USA) en 1967 : survol de la surface à 3990 km de distance. Etude de l’atmosphère durant 1 mois. → Mariner 10 (USA) en 1974 : Survol de Vénus puis de Mercure. 4000 photos de l’atmosphère de Vénus. → Pioneer Venus 1 et 2 (USA) en 1978 : 1 orbiteur et 4 landers (lancés séparément). Cartographie radar de la surface. Un lander a réussi à émettre durant 1 heure après l’atterrissage.
Vega 1 et Vega 2 (URSS) : → Double objectif : Vénus (juin 1985) puis la comète de Halley (mars 1986). → Largage de deux ballons dans l’atmosphère de Vénus ! Ils ont dérivé chacun durant environ 2 jours à 50 km d’altitude.
Magellan (USA) : → « La » grande mission de cartographie radar !! → 98% de la planète cartographiée entre août 1990 et octobre 1994. Résolution de 100 m et 50 m en hauteur.
Carte globale de Vénus obtenue par Magellan. → Point le plus haut : Monts Maxwell à 11800 m au-dessus du niveau moyen. → Nombreuses traces d’activité volcanique → Pas d’opposition mers / continents : altitude uniforme
Venus Express : Tirée le 9 novembre 2005. 5 mois de voyage Etude en orbite Etude de l’atmosphère, de la surface et de l’environnement du plasma. Réutilisation d’instruments de Mars Express et de Rosetta
Observations radar depuis la Terre : → Débutées en même temps que l’exploration spatiale → Ont permis de déterminer la vraie période de rotation de Vénus en 1962 (radiotélescopes de Goldstone et d’Arecibo) → Vénus présente une rotation rétrograde en 243 j → Durée d’une journée : 117 j (rotation autour du Soleil en 225 j)
Quelques données sur l'atmosphère → Extrêmement épaisse et chaude Psol92 atm et Tsol460°C. → Températures assez homogènes. → Peu de lumière au niveau du sol ! → Composition : CO2 : 96% N2 : 3,5% traces d’oxygène, d’eau, d’argon, d’oxyde de carbone, d’anhydride sulfureux, et gouttes d’acide sulfurique
L’effet de serre augmente la température de 500° !! L’eau n’a pas pu devenir liquide car Vénus était trop proche du Soleil il n’y a pas eu d’océans pour dissoudre le CO2 (comme sur Terre) le CO2 est resté en totalité dans l’atmosphère.
Nuages : → Composition : CO2 + gouttes d'acide sulfurique (H2SO4) → Reflètent 75% de la lumière solaire → Humidité de 0,1% → Acide sulfurique formé par l'action du Soleil sur le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et la vapeur d'eau (CO2 photodissocié pour l
La surface et la structure interne → Un millier de cratères d’impact recensés par Magellan → L’étude de la répartition des cratères a montré que la surface de Vénus est jeune : environ 500 millions d’années. → Toute la surface de Vénus aurait à peu près le même âge. → Hypothèse de la « catastrophe globale » : des éruptions volcaniques massives auraient remodelée toute la surface vénusienne il y a 500 millions d’années.
De multiples traces d’activité volcanique ! → Petits volcans bouclier (moins de 20 km de diamètre) → Volcans bouclier de taille intermédiaire (20-100 km de diamètre). Certains d’entre eux ressemblent à des « pancakes domes » (50 km sur 1 à 2 km de hauteur, car la lave est très visqueuse et applatie par la pression atmosphérique).
→ Grands volcans (plus de 100 km de diamètre) Sapas Mons (400 km à la base) → Chenaux de lave Le plus long : Baltis Vallis, 6800 km
Grands volcans de type « corona » (caractérisés par des anneaux de fractures) Sans doute liés à un volcanisme de point chaud : de la matière serait sortie du manteau et aurait fracturé la croûte en créant une activité volcanique. Lorsque le bulbe s’affaisse il reste un réseau de fractures.
De nombreuses traces d’activité tectonique ! Par exemple : → Terrains « tessera » Zones d’altitude élevée avec des traces de déformation de la croûte. Plus vieilles structures géologiques (8% de la surface). → Ishtar Terra Continent surélevé traversé par les Monts Maxwell.
Histoire géologique : → Difficile à reconstituer car l’âge de la surface visible ne dépasse pas 500 millions d’années. → On constate cependant qu’aujourd’hui Vénus est une planète à une seule plaque qui n’évacue pas sa chaleur interne comme sur Terre. Sa croûte serait également plus épaisse que sur Terre.
Quelques résultats obtenus par Venus Express : → Mesure plus précise du rapport D/H (240 x rapport H/D Terre à haute altitude, 157 fois à basse altitude) → Variations de température jour/nuit marquée vers 55-60 km d'altitude (30-40K) → Vortex polaire confirmé et étudié de plus près → Eclairs (observés en IR sur la partie nuit)
Vortex polaire :
Venus Express : tectonique des plaques et océans primitifs ? Mesures de température du sol en infrarouge : émissivité particulière sur les zones d'altitude (en dehors des zones d'atterrissage des sondes russes (basalte)) : granite ? Sur Terre : granite dû à la tectonique des plaques et à l'eau...
Projet japonais : Planet-C ou « Venus Climate Orbiter » (« Akatsuki » = « Aube ») → Lancement le 20 mai 2010… mais problème lors de la mise en orbite autour de Vénus le 7 décembre → Orbite héliocentrique avec, finalement, une mise en orbite autour de Vénus le 7 décembre 2015 (plus haute que prévue)
Le couple Terre-Lune : → La Terre est la seule planète tellurique à avoir un satellite de taille significative. → Elle se caractérise également par une atmosphère épaisse et des conditions physiques favorables à la vie (eau sous ses trois formes, températures douces…).
Formation de la Lune : → Collision accidentelle aux débuts de l’histoire du système solaire Histoire géologique : → Entre - 4,4 et -3,8 milliards d’années : bombardement météoritique très intense avec bombardement tardif vers 700 millions d'années (?). → Entre - 3,8 et -3 milliards d’années : activité éruptive et épanchement de basalte, qui a tapissé le fond des mers. → Au-delà de -3 milliards d’années : surface qui s’est « assoupie » et n’a quasiment plus évoluée depuis.
L’atmosphère primitive de la Terre a été créée par le dégazage intense en provenance des volcans. On estime que cette atmosphère était composée essentiellement de : → vapeur d’eau (H2O) → dioxyde de carbone (CO2) → diazote (N2) Avec d’autres composés mineurs : méthane (CH4), ammoniac (NH3), dioxyde de soufre (SO2). Deux éléments importants : → Pas d’oxygène → Beaucoup de CO2 Le Soleil jeune était également moins brillant de 30% / aujourd'hui.
La Terre primitive s’est trouvée à une bonne distance du Soleil, car l’eau pouvait se trouver sous ses trois formes : solide, liquide et gazeuse (formation des océans vers -3,8 milliards d'années) : Température d'équilibre liée à la distance au Soleil puis augmentation de la température lors de la formation de l'atmosphère à cause de l'effet de serre.
L'évolution de l'atmosphère terrestre est dominée par trois processus importants : → La formation des océans → L'apparition de la vie → L'augmentation de luminosité du Soleil
Formation des océans (vers -3,8 milliards d'années) : → N2 : très faible solubilité dans l'eau, reste dans l'atmosphère. → CO2 : dissous par l'eau de pluie → HCO3- L'eau de pluie entraîne également la formation d'ions Ca2+ (altération de roches silicatées). Ces deux espèces enrichissent les océans où ils réagissent pour former du carbonate de calcium CaCO3, constituant essentiel des roches calcaires (avec le carbonate de magnésium) : (actuellement ce processus est doublé d'un processus de sédimentation de matière organique). Aujourd'hui la totalité du CO2 des carbonates terrestres correspond à 9.1019 kg ce qui donnerait 60 bars de pression dans l'atmosphère (≈Vénus).
Apparition de la vie : Les premières cellules sont apparues durant le premier milliard d’années d’histoire de la Terre. Il s’agissait des procaryotes. Il est probable que ces premières cellules se sont répandues à la surface de la Terre : → Après la période d’impacts massifs et fréquents de planétésimaux. → Après la formation des océans liquides, vers –3,8 milliards d’années.
Aujourd’hui : 78% d’azote (N2), 21% d’oxygène (O2), 1% d’eau (H2O), 0,93% d’argon (Ar), 0,035% de CO2 ainsi que diverses autres gaz très minoritaires et dont l’abondance est parfois très variable avec l’altitude (par exemple l’ozone, O3, ou le méthane, CH4).
Dans 5 milliards d'années environ la Terre sera engloutie par le Soleil qui deviendra une géante rouge mais la vie risque de disparaître bien avant : Augmentation de la luminosité du Soleil, donc : → augmentation du pompage du CO2 par les roches → dans 500 millions d'années moins de 10 ppm de CO2 (actuellement : 400) → activité photosynthétique impossible → disparition des espèces végétales → disparition de l'oxygène (en environ 2 millions d'années) → disparition de tous les êtres vivants ??
Et si la vie survie à la disparition des espèces végétales et de l'oxygène... Dans 1,2 milliards d'années température de surface 70°C, donc : → Evaporation des océans (en 200 millions d'années environ) → Effet de serre très intense avec la vapeur d'eau → Température d'environ 400°C (comme sur Vénus)
Mars → La planète Mars est connue depuis l’Antiquité, car visible à l’œil nu. → Dans l’Antiquité, associée au dieu de la guerre. Pour les Egyptiens : « Har décher » (Le Rouge). Pour les Babyloniens : « Nergal » (L’étoile de la mort). → Mouvement compliqué, qui a contribué au système des épicycles de Ptolémée (vers 140 ap. J-C), et plus tard aux lois de Kepler (au début du 17ème siècle).
L’orbite de Mars se caractérise par une excentricité très marquée, ce qui a une grande influence sur la façon dont cette planète est visible de la Terre : Opposition périhélique : Mars est à 1,38 UA du Soleil. Distance Terre-Mars = 56 millions de km (25’’, fin août) → Opposition aphélique : Mars est à 1,66 UA du Soleil. Distance Terre-Mars = 100 millions de km (14’’, fin février) Les oppositions ont lieu tous les 2 ans et 1,5 mois. Il s’écoule 15 ans entre deux oppositions périhéliques.
Plus petite que la Terre mais planète qui présente les caractéristiques physiques au niveau du sol les plus proches de la Terre ! Visitée par beaucoup de sondes Spatiales. Quelques sondes remarquables : → Mariner 4 : la première sonde à réussir à survoler Mars, le 14 juillet 1965 (après deux échecs soviétiques et un américain).
→ Mariner 9 : la première sonde à réussir à se satelliser autour de Mars, le 14 novembre 1971… en pleine tempête de sable. De multiples découvertes : traces d’eau liquide, Olympus Mons, Valles Marineris, photos de Phobos…
→ Viking 1 et 2 : les premières sondes à se poser à la surface de Mars, en juillet et septembre 1976, et à réussir à envoyer des données durant plusieurs années.
Principaux résultats scientifiques obtenus par les sondes Viking : → Température : Viking 1 a mesuré des températures entre -83°C et -33°C. Des mesures effectuées en orbite ont montré un maximum de 22°C. Au niveau des calottes polaires le CO2 gelé bloque la température à –125°C. → Vitesse du vent : comprise habituellement entre 2 m/s (la nuit) et 7 m/s (la journée). Lors des tempêtes (printemps, été austral) elle atteint 26 m/s (90 km/heure). → Composition de l’atmosphère (pour une pression de 7,5 mbars) : dioxyde de carbone (95,32%), azote (2,7%), argon (1,6%), monoxyde de carbone (0,7%), oxygène (0,13%), vapeur d’eau (0,03%), traces de gaz inertes.
→ Pression atmosphérique : elle varie au cours du temps ! Explication : la calotte polaire sud « stocke » une bonne partie du CO2 atmosphérique durant l’hiver austral (diminution de la pression). Celui-ci se sublime au printemps entraînant une augmentation de la pression atmosphérique et des tempêtes de sable.
→ Mars Pathfinder : la première sonde équipée d’un petit véhicule destiné à rouler sur le sol martien; Sojourner (11,5 kg). S’est posé le 4 juillet 1997.
→ Mars Global Surveyor : sonde de la NASA en orbite autour de Mars depuis septembre 1997. D’innombrables images de la surface, obtenues en orbite. → Mars Odisssey : sonde de la NASA placée en orbite. Elle cartographie le sous-sol martien depuis février 2002. Elle a ainsi permis de cartographier la glace d’eau enfouie dans le sol :
→ Mars Exploration Rover : sondes de la NASA, lancées le 10 juin et 7 juillet 2003. Chacune contient un atterrisseur. Elles se sont posé à la suface de mars en janvier 2004 et sont actuellement en cours de fonctionnement.
→ Mars Express : sonde de l’ESA lancée le 2 juin 2003. Elle s’est mise en orbite autour de Mars le 25 décembre. Elle était équipé d’un lander, appelé Beagle 2, qui n’a pas fonctionné correctement lors de son atterrissage... → Mars Reconnaissance Orbiter (MRO, NASA) est en orbite autour de Mars depuis le 10 mars 2006.
Mars Science Laboratory / Curiosity : - Plus gros rover jamais construit par la NASA (3 m de long, 899 kg) - Atterrissage le 6 août 2012. - Instrument ChemCam : tir au laser jusqu’à 7 m et analyse spectro du gaz vaporisé. - Objectifs scientifiques : - déterminer si des conditions propices à la vie ont pu exister sur Mars - caractériser le climat de Mars - préciser la géologie de Mars - préparer l'exploration humaine de la planète rouge (mesure des radiations)
MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution, NASA) → En orbite autour de Mars depuis septembre 2014 → Etude des couches supérieures de l'atmosphère, de l'ionosphere, et des interactions avec le Soleil et le vent solaire. TGO (ExoMars Trace gas Orbiter, ESA) → En orbite autour de Mars depuis le 19 octobre 2016. → Largage (raté…) d'un atterrisseur, Schiaparelli (ou ExoMars EDM pour ExoMars Entry, Descent and Landing Demonstrator Module) qui s'est écrasé le 19 octobre.
Mars InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) (NASA) → Tir prévu en mai 2018. → Sismomètre et capteur de flux de chaleur.
La question de l’eau : Depuis Mariner 9, en 1971, on sait que de l’eau liquide a coulé à la surface de Mars, dans le passé. Plusieurs arguments : → Présence des réseaux de vallées et des chenaux d’écoulement. → L’étude de certaines structures dans Valles Marineris montrent l’action de l’eau : (i) certains canyons montrent des traces de sédiments et d’érosion liquide et (ii) il existe des zones chaotiques situées près des chenaux d’écoulement (glace sous pression libérée brutalement suite à un impact d’astéroïde). → Observations de Mars Global Surveyor en 2000 et 2006.
Observations de Mars Global Surveyor : → En 2000 : traces d'eau récentes (à l'échelle géologique) → En 2006 : mise en évidence des modifications d’une même zone attribués à de l’eau liquide qui aurait coulée entre les deux survols
Les sondes spatiales ont également révélé la présence de : → phylosilicates, très répandus dans les régions anciennes : interaction prolongée des roches ignées avec l'eau liquide. → sulfates hydratés : par exemple, de la kiesérite (MgSO4- H2O) → dépôts de gypse (CaSO4-2H2O) sur de la kiesérite au fond d'un lac asséché, indiquant un changement de nature saline de ce plan d'eau au cours de son assèchement.
→ Les formes d’érosion observées dans les réseaux de vallées impliquent une présence d’eau prolongée et donc un climat plus chaud dans le passé avec une atmosphère plus dense. → Ce climat a changé depuis longtemps (plusieurs milliards d’années). → Au début de l’histoire de Mars les volcans ont sans doute apporté les gaz nécessaires à une atmosphère dense. Quand ils ont réduit leur activité la pression atmosphérique a baissé car les gaz se sont échappés de Mars (faible attraction gravitationnelle) et l’eau ne pouvait plus être liquide. → Si toute l’eau qui a existé à la surface de Mars avait été liquide elle aurait recouvert toute la planète d’une couche de 500 m d’épaisseur (contre 3 km pour la Terre).
Où est passée toute l’eau de Mars aujourd’hui ? Quelques éléments de réponse : → Régions polaires, surtout nord (calotte et dépôts de glace et de poussières). → Minéraux hydratés (dans le sol). → Evaporation dans l’espace (l’hydrogène libéré par la dissociation moléculaire peut s’échapper de l’atmosphère). → Réserves importantes dans le sous-sol, peut-être sous forme liquide à grande profondeur (?).
Septembre 2015 : Annonce de la découverte observationnelle (Mars Reconnaissance Orbiter) de saumures de différentes composition correspondants à des écoulements, faites de chlorate et perchlorate de magnésium et de perchlorate de sodium, mêlés à un peu d’eau. Ces saumures permettent à l'eau de rester liquide.
Vue d'artiste de l'atmosphère martienne aujourd'hui et dans le passé : dans le passé l'eau était sans doute liquide et l'atmosphère plus dense qu'aujourd'hui.
Les volcans : Les volcans martiens sont de type bouclier. Ils sont beaucoup plus grands que sur Terre car il n’y a pas de tectonique des plaques sur Mars : les volcans ne bougent pas du « point chaud » qui leur a donné naissance.
Dichotomie hémisphère nord / hémisphère sud : → Hémisphère nord : plaines jeunes et presque lisses (processus de remodelage volcanique) → Hémisphère sud : relativement élevé en altitude, criblé de cratères d’impact. Impact avec un gros corps (≈1000 km) au début de l'histoire de Mars ?
Détection du méthane dans l’atmosphère de Mars : Détecté depuis le sol (IR) avec variations saisonnières. Le méthane a une durée de vie de 300 ans environs dans l’atmosphère de Mars (photodissociation par les UV du Soleil). Hypothèse : déstabilisation de clathrates par les « hautes » températures estivales, mais origine initiale peu claire. Problème observationnel ?? (raies telluriques, nécessité d'un décalge Doppler)...
Tentative de recherche in situ du méthane par Curiosity : Première publication (2013) avec résultat négatif (limite supérieure 1,3 ppbv). Décembre 2014 : détection in situ du méthane mais avec des concentrations très variables !
Aller sur Mars Deux scénarios possibles : → scénario de conjonction : 910 jours dont 550 sur Mars (scénario le plus intéressant a priori) → scénario d'opposition : 640 jours dont 30 sur Mars Déroulement des scénarios d'opposition et de conjonction : 1 : Lancement de l'équipage, 2 : Atterrissage sur Mars, 3 : Décollage du sol de Mars, 4 Assistance gravitationnelle de Vénus (scénario d'opposition uniquement), 5 Retour sur Terre.
→ principal problème : l'exposition aux radiations (éruptions solaires et rayons cosmiques).
Scénario de référence de la NASA : Copie pdf des diapos : perso.utinam.cnrs.fr/~phil/uo1.php
Vous pouvez aussi lire