Structure et évolution de l'intérieur de Titan - GABRIEL TOBIE
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Pourquoi s’intéresse-t’on à l’interieur de Titan ? Titan: - plus gros satellite de Saturne - seul satellite ayant une atmosphère massive (Psurf=1.5 bar, 2 x atm. Terre) ? Véritable « usine chimique » Destruction irréversible du méthane (~10-100 Ma) Réservoir de méthane ?
Vision de Titan avant Cassini-Huygens Cycle du méthane Équilibre atmosphérique maintenu par des océans d’hydrocarbures liquides à la surface Schéma réalisé par Dominic Fortes, d’après Lunine et al. 1983. http://www.es.ucl.ac.uk/research/planetary/ undergraduate/dom/weathering_titan/eos1.jpg
Les révélations de Cassini-Huygens • premier survol de Titan par Cassini pas de réservoirs liquides le 26 octobre 2004 apparents en surface •« attitanissage » de Huygens le 14 janvier 2005 Mosaïque d’images VIMS obtenues après 8 survols (C. Sotin, S. Rodriguez, S. Le Mouelic et l’équipe VIMS)
La diversité géologique de Titan DISR Réseaux fluviatiles, zone côtière VIMS Sotin et al. Nature 2005 Volcans Radar Tomasko et al. Nature 2005 de glace Radar Dunes et rides Lopes et al. LPSC 2005 http://photojournal.jpl.nasa.gov/
Contraintes sur l’origine de l’atmosphère Analyses in situ par le GCMS (Huygens) Piégeage des éléments volatils dans la nébuleuse solaire à proximité de Saturne Ordre de piégeage des éléments volatils Niemann et al. Nature 2005 • NH3: source de l’azote atmosphérique N2 • CH4 et N2 ont suivi une histoire différente • 40Ar: dégazage interne Hersant et al. 2006
Origine de l’atmosphère, source du méthane ? • Pas de réservoirs liquides apparents en surface ? • Origine interne? -stocké dans le sous-sol sous forme liquide -plus en profondeur sous forme de clathrates 1 - Structure interne de Titan ? 2 - Profondeur du réservoir ? 3 - Mécanisme de dégazage ?
Données sur l’intérieur Rayon: 2575 km ? (plus grand que Mercure) Masse: 1.345 1023 kg (1/45 masse de la Terre)
Plan de l’exposé 1- Détermination de la structure et de la composition de l’intérieur 2- Évaluation des sources d’énergie et du transfert thermique 3- Évolution passée de l’intérieur, lien avec la surface, l’atmosphère et l’orbite.
Plan de l’exposé 1- Détermination de la structure et de la composition de l’intérieur 2- Évaluation des sources d’énergie et du transfert thermique 3- Évolution passée de l’intérieur, lien avec la surface, l’atmosphère et l’orbite.
1.1 – Densité moyenne et fraction massique en silicate Densité moyenne : 1881 kg.m-3 Æ Densité type des silicates: 3000-4000 kg.m-3 Æ Un second matériau peu dense est nécessaire : - H2O: élément condensé le plus abondant dans le système solaire externe - Densité de la glace et de l’eau: glace basse-pression (P207 MPa): 1150-1500 kg.m-3 Selon la densité des silicates et de la phase H2O (dependant principalement de la structure interne), la fraction massique en silicate varie entre 0.5 et 0.7.
1.2 – Mesure du potentiel gravitationnel et du moment d’inertie Potentiel gravitationnel en un point P(r) induit par une distribution de masse dans un volume V: G: constante gravitationnelle universelle Décomposition en polynôme de Legendre pour un point P(r) en dehors du volume V: φ: longitude, λ: latitude, a= rayon équatorial moyen Les coefficients du potentiel se décomposent en un terme statique (séculaire) et un terme dynamique. Statique Æ sensible à la distribution de masse dans l’intérieur DynamiqueÆ sensible aux mouvements de masse interne et de changement de forme du satellite.
1.2.1 – Lien entre le potentiel et le moment d’inertie z Définition du moment d’inertie : C Axes principaux du moment d’inertie: x A y B Coefficient quadrupolaires du potentiel gravitationnel et axes principaux du moment d’inertie
1.2.2 – Sens physique des coefficients C20 et C22 pour un satellite en rotation synchrone autour d’une planète as: accélération centrifuge de spin ao: accélération centrifuge orbitale ag: accélération gravitationnelle exercée par la planète centrale am : accélération de marée résultant de |ag-ao| ao as ag am ao Φ + DSP Planète Satellite
1.2.2 – Sens physique des coefficients C20 et C22 pour un satellite en rotation synchrone autour d’une planète as: accélération centrifuge de spin ao: accélération centrifuge orbitale ag: accélération gravitationnelle exercée par la planète centrale am : accélération de marée résultant de |ag-ao| ao as ag am ao Φ + DSP Planète Satellite am et as ne sont pas constants sur tout le satellite Æ distorsion du satellite Aplatissement du satellite + allongement dans le direction satellite-planète Æ Redistribution des masses et changement de forme de la surface
1.2.2 – Sens physique des coefficients C20 et C22 pour un satellite en rotation synchrone autour d’une planète Aplatissement Allongement selon l’axe Titan-Saturne x Vue de coté Vue de dessus
1.3 – Relation entre les coefficients C20 et C22 et les paramètres de structure interne du satellite Équilibre hydrostatique : m Um: potentiel total de marée = potentiel extérieur (rotation + attraction planète) + potentiel induit par la redistribution de masse. Um= (1+ k2s) Ue Æ k2s: nombre de love séculaire (k2s=Ui/Ue) Relation entre C2i et k2s pour un Relation entre C/Ma2 et k2s: satellite en rotation synchrone: Équation de Radau-Darwin (Valable uniquement pour un intérieur proche de l’équilibre hydrostatique)
1.2.3 – Cas d’un satellite sur une orbite excentrique synchrone Excentricité orbitale: ecc ~3% (Titan), ~ 1% (Europe), ~0.15% (Ganymède) Variation périodique du potentiel gravitationnel e e Tension/Compression + mouvements fluides k2d: nombre de love dynamique Æ réponse périodique du corps au potentiel excitateur de marée
1.2.4 – Mesure du potentiel gravitationnel par orbitographie « Radio tracking » de la sonde lors du survol du satellite DEEP SPACE NETWORK Décalage doppler Æ mesure de la vitesse radiale de la sonde par rapport à la Terre Variation de la vitesse radiale Coefficients du potentiel Æ + éphémérides précis du système (monopôle + quadripôle) Moment d’inertie C/Ma2
1.3 – Données sur les satellites de glace orbitographie imagerie 2 Densité Rayon (km) C/MR e Prot (jour) IO 3.528 1822 0.377 0.004 1.77 J U EUROPA 2.97 1565 0.347 0.010 3.55 P I T GANYMEDE 1.94 2634 0.311 0.0015 7.15 E R CALLISTO 1.851 2403 0.358 0.007 16.70 S A T U TITAN 1.881 2575 ? 0.029 15.95 R N E
1.4 – Contraintes expérimentales Liquidus dans le système NH3-H2O Glace I Diagramme de phase: Effect de l’ammoniaque Glace I Glace VI Expérimentation HP/BT: : Grasset and Pargamin (2005), Choukroun et al. (2006)
1.5 – Contraintes expérimentales Densité des différents matériaux 1 / K 0' K P ' ρ = ρ 0 (T0 , P0 ) × + 1 0 K0
1.6 – Construction de modèles de structure interne Intégration de la masse, du moment d’inertie, de la gravite et de la pression Glace I Océan Glace HP Silicate Fer + équation d’état et diagramme de phase 1 / K 0' K P ' ρ = ρ 0 (T0 , P0 ) × + 1 0 K0 Solution non-unique !
1.6 – Cas de Ganymède: modèle à 3 couches Sohl et al., Implications of Galileo observations for the interior structure and chemistry of the Galilean satellites , Icarus (2002)
1.6 – Cas de Ganymède: modèle plus réaliste Sohl et al., Implications of Galileo observations for the interior structure and chemistry of the Galilean satellites , Icarus (2002)
1.6 – Modèles les plus plausibles pour les 4 Galiléens Couche d’eau liquide salée suggérée par les données magnétiques Galileo
1.6 – Et Titan ?? Callisto Titan Ganymede Rayon: 2403 km 2575 km 2634 km Densité: 1851 kg .m-3 1881 kg .m-3 1940 kg .m-3 MoI: 0.358 ? 0.311 MoI f.=0.4 : sphère homogène
1.6 – Et Titan ?? Callisto Titan Ganymede ? Partiellement différencié Totalement différencié Eau liquide Fer Glace Silicate Couche d’eau liquide salée suggérée par les données magnétiques Galileo
1.7 – Autres types d’observations: méthode passive Variation périodique •du potentiel gravitationnel Æ gravimétrie •de la forme Æ altimétrie •du champ de contrainte Æ sismologie Instruments: radio tracking altimètre laser ou radar Variation du potentiel sismomètre à la surface Interprétation: - amplitude Æ liquide ou non - déphasageÆ état thermique - séisme + variation latérale de champ de gravité Æ épaisseur de la couche de glace Ex: Europe
1.7 – Objectifs pour les futures missions • altimetry: vertical resolution ~ 0.1m Theoretical values horizontal resolution ~ 100 m no ocean ocean Europa: 0.1 30 m Radar: 0.1 m Ganymede: 0.5 7m Callisto: 0.3 5m Laser: ex MOLA aboard MGS ~0.3-2 m Moore & Schubert (2000, 2003); Tobie 2003 • gravimetry: δU/U0 ~ 10-6, δg at 100 km ~ 0.1mgal (10-6 m.s-2) (Galileo: 30.10-6) Temporal variation induced by the tide-raising potential (Castillo et al. 2000, Moore & Schubert 2000,2003) Spatial variation induced by lateral variations of the ice shell thickness (Tobie et al. 2003) • penetrating radar: • seismometer: maximum loss: ~50 dB : Possible discrimination of ice shells varying maximum depth of the ice/ocean interface from 5 to 20 km in thickness, ~10km (Chyba et al. 1998) even with only one lunar-type seismometer (Kovach and Chyba 2002) • magnetometer: problem of inversion, but possible detection of tidal currents (G. Mitri, personal communication)
Plan de l’exposé 1- Détermination de la structure et de la composition de l’intérieur 2- Évaluation des sources d’énergie et du transfert thermique 3- Évolution passée de l’intérieur, lien avec la surface, l’atmosphère et l’orbite.
2.1 – Source: Énergie d’accrétion Fusion de la phase glace contenue dans les planetesimaux Fusion de la glace et dévolatisation Sédimentation des roches silicatées Accretion homogène h : facteur de conversion de l’énergie cinétique des impacteurs en chaleur Fusion de la couche externe dépendant du temps d’accrétion et de l’efficacité de la conversion de Ec en chaleur.
2.1 – Source: Énergie d’accrétion Fusion de la phase glace contenue dans les planetesimaux Fusion de la glace et dévolatisation Sédimentation des roches silicatées Accretion homogène h : facteur de conversion de l’énergie cinétique des impacteurs en chaleur Fusion de la couche externe dépendant du temps d’accrétion et de l’efficacité de la conversion de Ec en chaleur. Fusion nécessaire pour former une atmosphère primitive Æ origine du N2 (dévolatilization de NH3 et conversion par les UV et impacts) Æ Accrétion relativement rapide (
2.2 – Source: Énergie radioactive dans les silicates t=tacc: Erad~3-4TW t=4.55Ga: Erad~0.5TW Décroissance radioactive Æ refroidissement progressif de l’intérieur ?
2.2 – Source: chauffage de marée Excentricité actuelle : ~3% (3 x Europe, 20 x Ganymède) Circularisation de l’orbite Production de chaleur interne Dissipation de marée Tension/Compression Intérieur & surface + mouvements fluides
2.2 – Source: chauffage de marée Excentricité actuelle : ~3% (3 x Europe, 20 x Ganymède) Io: le meilleur exemple d’activité interne induite par le chauffage de marée
2.2 – Source: chauffage de marée Excentricité actuelle : ~3% (3 x Europe, 20 x Ganymède) Pour Titan, pas de résonance orbitale majeure à la différence des satellites galiléens. Dissipation de marée: perte d’énergie pour l’orbite Décroissance de l’excentricité ÆSource d’énergie limitée Origine de l’excentricité élevée de Titan ??
2.3 – Calcul du chauffage de marée Structure interne Glace I Équation Distribution radiale Océan Déplacements de Poisson Glace HP Contraintes Équations Silicate du mouvement Déformations Fer Potentiel de marée aplatissement élongation
2.3 – Chauffage de marée :Europe-Titan Maximum de la dissipation dans la couche de glace externe au-dessus d’un océan Dissipation dépendant fortement de la viscosité de la glace
2.3 – Viscosité des glaces: analogues terrestres Viscosité (Pa.s) σ1-σ3 (MPa) Contrainte différentielle
2.4 – Différentiation de l’intérieur Séparation des matériaux silicatées et glacées: Fusion de la glace, différence de densité Retournement du noyau: formation d’un noyau de silicate Ice I+MH NH3-H2O liquid HP ice Silicate After Loveday et al. 2001, 2003; Hirai et al 2001, 2003 Ice-MH-AMH Methane Hydrate ~ Ammonia MonoHydrate +Silicate < Liquid water < High-pressure Ice < Silicate At Low pressure: MH ~ AMH~Ice I
2.4 – Différentiation de l’intérieur Séparation des matériaux silicatées et glacées: Fusion de la glace, différence de densité Retournement du noyau: formation d’un noyau de silicate Ice I+MH NH3-H2O liquid HP ice After Loveday et al. 2001, 2003; Hirai et al 2001, 2003 Methane Hydrate ~ Ammonia MonoHydrate Silicate < Liquid water < High-pressure Ice < Silicate At Low pressure: MH ~ AMH~Ice I
2.4 – Transfert de chaleur: conduction vs. convection Déclenchement de la convection thermique très dépendant de la viscosité, elle-même très dépendante de la température: 1 / n −1 m/n ε& D E a Tref η (T , ε&, D ) = η ref × D × exp RT T − 1 ε& ref ref ref Couche de glace externe : instable pour Tocean~270 K et b>10-20 km. stable jusqu’à plus de 50 km si Tocean
2.4 – Transfert de chaleur: convection thermique dans la couche de glace Flux de chaleur en surface (mW/m2) 80 Cas d'Europe: 60 40 20 b = 20 km 0 ηb = ηmax ∆T=170K = 1.5x1014Pa.s Champ de température (K) 0 ~ 8 km ∆T=Tb-Ts=170K Couvercle conductif Profondeur (km) ⇒ Ra= 1.6x106 5 Ea=50 kJ.mol-1 10 ⇒ ∆η= 1.2x106 15 Hmax=2.7x10-6 W.m-3 20 OCEAN Température (K) Flux de chaleur sortant des silicates Sans chauffage de marée Flux de chaleur évacuée en base de couche (mW/m2) Avec chauffage de marée 0 10 20 30 40 X (km)
2.4 – Transfert de chaleur: couplage avec le chauffage de marée Fort couplage entre génération et transfert de chaleur: Influence de la viscosité
2.4 – Transfert de chaleur: convection thermique dans le manteau silicaté 1500 K 300 K
2.4 – Changement de phase: glace-eau Le taux de cristallisation de la couche d’eau liquide dépend : - des sources d’énergie - du transfert thermique - de la chimie (NH3, H2SO4)
2.4 – Changement de phase: glace-eau Le taux de cristallisation de la couche d’eau liquide dépend : - des sources d’énergie - du transfert thermique - de la chimie (NH3, H2SO4) Mais le transfert thermique dans la couche externe et la production de chaleur de marée dépend de l’épaisseur de la couche et de la température de l’océan. Système fortement couplé
Plan de l’exposé 1- Détermination de la structure et de la composition de l’intérieur 2- Évaluation des sources d’énergie et du transfert thermique 3- Évolution passée de l’intérieur, lien avec la surface, l’atmosphère et l’orbite.
3.1 - Méthane dans l’intérieur Ancienne vision Lunine and Stevenson, Icarus (1987)
3.1 - Méthane dans l’intérieur Clathrate de CH4: stable jusqu’à haute pression/ faible densité Atmosphère de vapeur: remontée progressive en surface H2O, NH3, N2, CH4, CO2 Courbe de stabilité des clathrates de CH4 Glace I + Hydrate NH3-H2O Glace HP Silicate Glace- MH-AMH +Silicate Libération rapide des clathrates de CH4 lors du retournement du noyau (t
3.1 - Méthane dans l’intérieur Clathrate de CH4: stable jusqu’à haute pression/ faible densité Atmosphère de vapeur: remontée progressive en surface H2O, NH3, N2, CH4, CO2 Courbe de stabilité des clathrates de CH4 Clathrate de CH4 NH3-H2O Glace HP Silicate Libération rapide des clathrates de CH4 lors du retournement du noyau (t
3.2 - Modèle d’évolution à long terme Transfert thermique: Dissipation de marée et évolution orbitale modélisation numérique Atmosphère de vapeur: H2O, NH3, N2, CH4, CO2 Modèle de structure interne de Titan Diagramme de phase: Expérience HP-BT Circularisation de l’orbite Évolution de l’intérieur silicaté
3.2 - Modèle d’évolution à long terme Transfert thermique: Dissipation de marée et évolution orbitale modélisation numérique Atmosphère de vapeur: H2O, NH3, N2, CH4, CO2 Modèle de structure interne de Titan Diagramme de phase: Expérience HP-BT Circularisation de l’orbite Évolution de l’intérieur silicaté
Évolution de l’intérieur silicaté Hypothèses sur la composition Puissance émise par le noyau silicaté du noyau: Glace I 1. Silicate hydraté: ρsil=3000 kg.m-3, H0=3.10-11 W.kg-1, Rsil=1900 km, xsil=0.64 2. Silicate terrestre (manteau sup): ρsil=3300 kg.m-3. H0= 4.10-11 W.kg-1, Rsil=1800 km, xsil=0.6. Glace VI 3. Silicate anhydre enrichi en fer: ρsil=4000 kg.m-3, H0= 5.10-11 W.kg-1, Rsil=1625 km, xsil=0.53 Dissipation de marée négligeable Ksil=3-5 W.m-1.K-1; csil=800-1200 J.kg-1.K-1 Température pour initier la convection: 1400-1500-1600 K
3.2 - Modèle d’évolution à long terme Transfert thermique: Dissipation de marée et évolution orbitale modélisation numérique Atmosphère de vapeur: H2O, NH3, N2, CH4, CO2 Modèle de structure interne de Titan Diagramme de phase: Expérience HP-BT Circularisation de l’orbite Évolution de l’intérieur silicaté
3.3 - Simulations de l’évolution à long terme Paramètres d’entrée: A typical simulation Composition: xsil=55%, xNH3=5%,xCH4=2.5% pure clathrate layer Orbite: e0=13,5% Viscosité de la glace proche du point de fusion: η0=1014Pa.s • NH3 or/and CH4 nécessaire pour expliquer le maintien de l’excentricité orbitale élevée (3%) depuis la formation de Titan. • État d’équilibre atteint apres 2.5 Ga peut sensible à la quantité initiale de clathrate de CH4.
3.4 - Résultats synthétiques Relation entre la viscosité de la glace ηm, l’excentricité orbitale initiale e0 et la teneur en ammoniaque xNH3 qq % de NH3 nécessaire pour expliquer l’excentricité actuelle. Rôle de la composition de l’intérieur silicaté (1, 2, 3), de la viscosité de la glace et de la teneur e ammoniaque sur l’épaisseur du réservoir de clathrate de CH4 et le début de la convection dans la couche de glace externe (début du dégazage) . Les modèles avec un noyau silicaté partiellement hydraté + qq % de NH3 permettent le maintien de l’excentricité et induisent un dégazage suffisant pour maintenir le CH4 dans l’atmosphère.
3.5 - Histoire possible du dégazage de méthane
3.6 - Dégazage des autres gaz • Dégazage de 40Ar, 36Ar, CO pendant les deux premiers épisodes de dégazage massif de CH4 (0.5-1 Ga, 2-3 Ga). • Séquestration de H2S, C2H6, Xe sous forme de clathrates à la base de l’océan. Hersant, Gautier, Tobie, Lunine (2006) 40Ar, 36Ar, CO détectés par le Huygens GMCS dans l’atmosphère de Titan (en plus de CH4 et N2)
3.7 – Simulation du dernier épisode de dégazage Tobie et al., Nature (2006) Dégazage géologiquement récent déclenché par des panaches de glace chaude déstabilisant le réservoir de clathrate dans la croûte.
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate
3.7 - Simulations incluant un mélange de glace et de clathrate Profile de température
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Zone de faiblesse
3.7 - Simulation incluant la fracturation du couvercle Profile de temperature
3.8 – Confrontation aux donnees Cassini-Huygens CASSINI: Radar VIMS Radar: -surface jeune peu cratérisé -écoulement: cryomagma ? hydrocarbure ? -cryovolcan? -activité tectonique ancienne VIMS: -cryovolcan ? -composition ? Lopes et al. LPSC 2005 Sotin et al. Nature 2005 SSI: - peu de cratères Volcans sur Titan ? DISR HUYGENS: DISR: -réseau fluviatile -lacs asséchés -glace d’eau en surface GCMS:- 14N/15N, 12C/13C, 40Ar
3.8 – Confrontation aux donnees Cassini -Huygens CASSINI: INTERPRETATION: Radar: -surface jeune peu cratérisé -écoulement: cryomagma ? -resurfaçage récent activité cryovolcanique hydrocarbure ? hydrocarbures liquides -cryovolcan? -> éruption massive -activité tectonique ancienne de méthane VIMS: -cryovolcan ? -activité tectonique ancienne: effet de marée accru -composition ? dans le passé -> excentricité élevée SSI: - peu de cratères -14N/15N échappement atmosphérique -> atmosphère primitive HUYGENS: -12C/13C dégazage tardif DISR: -réseau fluviatile -> éruption -lacs asséchés -glace d’eau en surface -40Ar altération aqueuse des silicates (40K) + cryovolcanisme et/ou dégazage GCMS:- 14N/15N, 12C/13C, 40Ar -> océan chaud
CONCLUSIONS Résultats (1) • État actuel : couche convective d’un mélange de glace et de clathrate de méthane (200km) + couche de glace HP et noyau de silicate • Activité cryovolcanique: 3 grands épisodes de dégazage (0.5-1 Ga, 2-2.5 Ga, >4Ga) expliquant la composition actuelle en CH4, 40Ar, CO de l’atmosphère
CONCLUSIONS Résultats (2) • Panaches de glace au-dessus de l’océan d’eau et ammoniaque capable de déstabiliser les clathrates de méthane • Fracturation de la croûte aidée par le contraction de l’intérieur due à la cristallisation de l’océan. • Dissociation des clathrates d’ammoniaque favorisée par la présence d’ammoniaque. De nombreuses observations à venir • Surface/nuages: VIMS, Radar, ISS • Interieur: Radio Science Subsystem Et peut-être une éruption en direct ….
Encelade : une lune « cryo » volcaniquement active Jets de gaz et de particules de glace au pôle sud d’Encelade, associés à une anomalie thermique importante et une zone tectoniquement très active. Activité cryovolcanique probablement induite par le chauffage de marée.
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