Échappement atmosphérique

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L'échappement atmosphérique est la perte de gaz atmosphériques planétaires vers l'espace extra-atmosphérique. Ce processus a fait évoluer de manière décisive la composition de l'atmosphère de plusieurs corps du système solaire : disparition de l'essentiel de l'atmosphère martienne faisant de cette planète un monde désert et stérile, évacuation de l'hydrogène de l'atmosphère terrestre permettant à la vie d'apparaître, disparition de la vapeur d'eau de l'atmosphère de Vénus contribuant à l'effet de serre caractérisant cette planète. Plusieurs mécanismes sont susceptibles de contribuer à l'échappement atmosphérique. Leur impact est principalement influencé par la masse de la planète et la présence d'un champ magnétique. Deux missions spatiales - MAVEN, lancée par la NASA en 2013, et ExoMars Trace Gas Orbiter de l'Agence spatiale européenne (lancement prévu en 2018) - sont consacrées à l'étude in situ de l'échappement de l'atmosphère de Mars.

Mécanismes d'échappement thermique[modifier | modifier le code]

L'un des mécanismes d'échappement thermique classique est l'échappement de Jeans[1]. Dans une quantité de gaz, la vitesse moyenne d'une molécule est déterminée par la température, mais la vitesse des molécules individuelles varie de façon continue pendant qu'elles se heurtent les unes aux autres, l'acquisition et la perte de l'énergie cinétique.

Dans le cas de Mars les données à disposition ont permis d'identifier plusieurs mécanismes qui ont pu conduire à l'échappement atmosphérique de l'atmosphère de la planète dans l'espace interplanétaire. Le rayonnement ultraviolet et le vent solaire transforment les atomes et les molécules de la haute atmosphère martienne, à l'origine électriquement neutre, en particules chargées (ions). Le champ électrique généré par le vent solaire peut alors agir sur celles-ci et les chasser dans l'espace. Le vent solaire peut également réchauffer les molécules de la haute atmosphère qui échappent alors à la gravité martienne. Mais des éruptions volcaniques ont eu lieu par la suite et auraient dû reconstituer l'atmosphère. La disparition de celle-ci résulte peut-être de la combinaison de plusieurs de ces mécanismes[2]. Les mécanismes d'échappement à l’œuvre peuvent être regroupés dans deux catégories : échappement thermique et échappement non thermique.

L'échappement thermique[modifier | modifier le code]

L'échappement thermique est un phénomène qui a lieu à très haute altitude, au-dessus de l'exobase, dans l'exosphère (à une altitude supérieure à deux cents kilomètres – sur Mars), région de l'atmosphère où les particules ne subissent pratiquement plus de collisions, du fait de la faible densité de l'atmosphère résiduelle. Il résulte de l'agitation normale des particules d'un gaz en équilibre thermodynamique.

L'échappement de Jeans[modifier | modifier le code]

L'un des mécanismes d'échappement thermique classique est l'échappement de Jeans[1]. Dans une quantité de gaz, la vitesse des particules qui parviennent au-dessus de l'exobase à la suite de collisions se distribue de manière aléatoire. Celles qui sont dotées d'une grande énergie cinétique avec une vitesse supérieure à la vitesse d'échappement et un vecteur vitesse dirigé vers le haut échappent à l'attraction. Le réservoir de particules de ce type est reconstitué de manière continue par des particules en provenance des couches atmosphériques inférieures. L'échappement de Jeans ne joue un rôle significatif que pour les particules les plus légères (H, H2, D). La vitesse de libération de la planète (liée à sa masse) détermine l'impact de l'échappement de Jeans sur l'atmosphère. Dans le cas des planètes géantes gazeuses cet impact est nul alors que sur Mars il est important.

Dans le cas de Mars c'est a priori le mécanisme qui explique la perte de la majorité de l'hydrogène neutre (non ionisé). Dans la mesure où cet hydrogène provient de l'eau, l'étude de l'échappement de l'hydrogène se confond avec l'étude de la disparition de l'eau sur Mars[3],[4].

L'échappement hydrodynamique[modifier | modifier le code]

Cet échappement est un cas limite de l'échappement de Jeans dans lequel l'expulsion de l'hydrogène vers l'espace interplanétaire entraîne celui d'espèces plus lourdes. Il ne joue un rôle important qu'au tout début de l'histoire de la planète, lorsque l'atmosphère primitive était riche en hydrogène[5].

Les différents processus contribuant à l'échappement de l'atmosphère martienne.

Les échappements non thermiques[modifier | modifier le code]

L'échappement chimique[modifier | modifier le code]

Certaines réactions chimiques exothermiques qui ont lieu dans l'atmosphère produisent un excès d'énergie cinétique transmis aux atomes. Lorsque ces réactions se produisent près de l'exobase dans une région où la densité est suffisante pour que des collisions se produisent mais où elle est suffisamment faible pour que l'énergie acquise par les particules ne soit pas dissipée dans de nouvelles collisions (thermalisation), certains des atomes expulsés vers l'exosphère ont acquis suffisamment d'énergie et donc de vitesse pour s'échapper dans l'espace interplanétaire[6].

L'échappement ionique[modifier | modifier le code]

Ce type d'échappement concerne les particules (atomes ou molécules) ionisées. Celles-ci sont originaires de deux régions de l'atmosphère martienne : l'exosphère et la basse ionosphère en dessous de l'exobase. Dans l'exosphère des ions sont produits à partir d'atomes ou molécules électriquement neutres. Ils sont alors accélérés par le vent solaire et acquièrent une vitesse suffisante pour échapper à l'attraction de Mars. Ce processus concerne principalement des ions H+ et O+. De leur côté, les ions produits dans la basse ionosphère martienne atteignent l'exobase par diffusion et sont alors également accélérés par le vent solaire et pour certains d'entre eux expulsés dans le milieu interplanétaire. Les particules concernées sont principalement O2+, CO2+ et O+[6].

Le criblage[modifier | modifier le code]

Les ions accélérés ne s'échappent pas tous de l'atmosphère de Mars mais certains d'entre eux ont une trajectoire qui tangente l'atmosphère et finissent par percuter d'autres particules. Ils provoquent l'éclatement de molécules et transfèrent alors leur énergie aux atomes (C, N, O, Ar…) qui dans certains cas acquièrent suffisamment de vitesse pour échapper à l'attraction martienne[7].

Le rôle des météorites[modifier | modifier le code]

Dans le cas de Mars, le sol a conservé les traces d'impact d'énormes astéroïdes qui ont créé près de vingt cratères de plus de mille kilomètres de diamètre. L'onde de choc associée à ces impacts aurait également pu chasser une grande partie de l'atmosphère martienne. Ce mécanisme a pu jouer un rôle important durant le Noachien où toutes les planètes internes ont subi un bombardement intensif de météorites (Grand bombardement tardif). Ce phénomène pourrait être à l'origine de la disparition d'une grande partie du CO2 de Mars[6].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b « Processus d’échappement atmosphérique », Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (consulté le 17 novembre 2013)
  2. (en) « MAVEN Mission to Investigate How Sun Steals Martian Atmosphere », NASA,‎
  3. Présentation à la presse de la mission, p. 9
  4. Chauffray 2007, p. 31
  5. Chauffray 2007, p. 31-32
  6. a, b et c Chauffray 2007, p. 32
  7. Chauffray 2007, p. 33

Sources[modifier | modifier le code]

  • [Présentation de la mission MAVEN au MEPAG] (en) Jakosky, Grebowsky, et Mitchell,, The 2013 Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Mission : Presentation to the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG), NASA,‎ , 63 p. (lire en ligne)Document utilisé pour la rédaction de l’article
    Document présentant la mission dans le cadre du congres scientifique MEPAG (fev 2012)
  • [Présentation à la presse de la mission] (en) NASA, Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Press kit : Exploring mars' climate history, NASA,‎ , 40 p. (lire en ligne)Document utilisé pour la rédaction de l’article
    Document officiel de la NASA de présentation de la mission MAVEN rédigé pour le lancement
  • Jean-Yves Chauffray, Étude de l’exosphère de Mars et de l’échappement de l’eau : Modélisation et analyse des données UV de SPIcam (thèse), Université Pierre et Marie Curie Paris VI,‎ , 254 p. (lire en ligne)Document utilisé pour la rédaction de l’article

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]