Mise à jour 14 Septembre 2021.

CONFÉRENCE MENSUELLE (en live et devant public) DE LA SAF

De Thérèse Encrenaz Astrophysicienne Directeur de recherches CNRS

LESIA Obs de Paris

« L’ATMOSPHÈRE DES PLANÈTES TERRESTRES :
UNE ÉVOLUTION DIVERGENTE »

Organisée par la SAF

En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF

Le Mercredi 8 Septembre 2021 à 19H00

Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp , rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2021/2022 ; elle s’appelle : Encrenaz-pl-telluriques-saf-sep21.pdf

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

La vidéo de la réunion est accessible : https://youtu.be/jM99TNGTaH4

Tous les autres enregistrements sont accessibles sur la chaine YouTube SAF.

Remarque liminaire :

Chers amis des conférences mensuelles d’Astronomie de la SAF, je suis particulièrement heureux de vous retrouver physiquement dans ce superbe amphi du CNAM et cela dans des conditions à peu près normales après tant de conférences à distance.

C’est la première fois depuis longtemps que nous reprenons devant public (sans masque) ces conférences. Je sais que certains d’entre vous ont encore un peu d’appréhension, car nombreux ont préféré suivre sur YouTube cette conférence.

Dans tous les cas j’espère que cette reprise est un bon signe de la condition sanitaire qui s’améliore.

Merci à ceux qui nous ont suivi pendant la période difficile où nous n’avons proposé que des conférences en distanciel, cela nous a aussi appris à nous perfectionner, en proposant ainsi ces conférences à un plus grand nombre. Nous garderons cette possibilité avec la reprise en présence de public.

Encore un grand merci au CNAM qui nous accueille et en particulier à Christine Siri, merci à toute l’équipe technique : Laurent Dongé notre virtuose vidéo, Thierry Midavaine et Franck Gourdon aux manettes de YouTube, Jean Claude Bercu et Danielle au contrôle.

Nous espérons continuer à vous satisfaire et nous préparons le programme de cette nouvelle saison.
bonne conférence.

Thérèse Encrenaz s’exprimant devant le public des conférences mensuelles.
À gauche Thierry Midavaine, à l’extrême droite caché en partie par sa caméra Laurent Dongé.

Thérèse Encrenaz est astrophysicienne au LESIA (Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en Astrophysique), elle participe aussi activement à la vie de la SAF.

Une remarque avant de commencer :

La Division des sciences planétaires de l’American Astronomical Society décerne le prix Gerard P. Kuiper 2021 à Thérèse Encrenaz, directrice de recherche émérite CNRS à l’Observatoire de Paris – PSL, pour ses contributions exceptionnelles au domaine des sciences planétaires.

Ce prix lui est attribué en reconnaissance des progrès réalisés dans la compréhension des atmosphères planétaires grâce à ses techniques pionnières, ainsi que pour avoir permis des recherches importantes grâce à son rôle de leader, principalement au Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA) de l’Observatoire de Paris, pendant quatre décennies.

Thérèse Encrenaz a fait progresser la science atmosphérique vénusienne en mesurant et en analysant la variation de l’abondance de l’eau et du dioxyde de soufre au sommet des nuages.

Outre ses recherches, Thérèse Encrenaz a joué un rôle de premier plan dans plusieurs missions spatiales, notamment en tant que Mission Scientist pour l’Observatoire infrarouge spatial (ISO) et en tant que co-investigatrice de missions telles que Vega, Galileo, Mars Express, Venus Express et Rosetta.

Elle a largement diffusé la science planétaire auprès du grand public en écrivant une vingtaine de livres de vulgarisation scientifique.

Le thème de ce soir est justement celui qui a justifié ce prix : « l’atmosphère des planètes terrestres » et pourquoi ont-elles divergé dans leur évolution ?

INTRO SUR LES PLANÈTES TERRESTRES.

Après avoir éliminé rapidement la planète Mercure, qui ne possède pas d’atmosphère à cause de sa petite taille, suite à 4 éléments décisifs :

·         Sa trop grande proximité du Soleil

·         Sa petite taille

·         Son faible champ de gravité

·         Sa température très élevée côté jour

Tout ceci favorisant l’échappement d’une éventuelle atmosphère, Th Encrenaz établit la comparaison entre les trois autres planètes terrestres.

Ces trois planètes ont eu certainement des conditions initiales semblables mais une évolution divergente, pourquoi ?

Près du Soleil, les éléments solides sont ce que l’on appelle des réfractaires, ils vont donner naissance aux planètes telluriques.

Loin du Soleil, dans ce milieu froid, les éléments solides sont plutôt des glaces (d’eau, de méthane etc..) ils vont servir à former les noyaux des planètes géantes gazeuses.

LES ANNÉES 1960/70 L’EXPLORATION DE MARS ET DE VÉNUS

L’exploration de Mars.

Malgré de nombreux échecs, les missions Mariner 9 et Viking sont des succès retentissants qui font progresser la connaissance de Mars.

Viking avec ses trois expériences à bord indique qu’il n’y a aucune trace de vie. La NASA abandonne Mars pendant 20 ans.

Mais finalement les Américains reprennent l’exploration de Mars, on y découvre des traces d’anciennes rivières, des relèvements pris en orbite montrent où se trouve l’eau (la glace en bleu) grâce à Mars Odyssey.

Puis arrive l’ère des robots martiens, des rovers principalement.

Curiosity (NASA) : Découverte d’un environnement « habitable » il y a moins de 4 milliards d’années (eau liquide, faible acidité, faible salinité, présence de nutriments)

En 2021: Perseverance (NASA), première étape d’un programme de retour d’échantillons martiens

2021: Zhurong (Chine, mission Tianwen 1)

L’exploration de Vénus.

Ce sont surtout les Russes qui se sont beaucoup intéressés à Vénus avec les missions Venera qui se sont posées au sol dans les années 1960/70 et qui ont survécu pendant quelques heures à l’énorme pression (95 bars) et température (450°C)

Image au sol prise par la caméra de Venera 9 (et traitée informatiquement) Crédit : Roscosmos

En 1989, la sonde US Magellan cartographie complètement (radar) la surface de Vénus.

Concernant cette planète, de nombreuses questions restent en suspens.

·         La circulation atmosphérique : on a remarqué un vortex polaire

·         Pourquoi un tel échauffement par effet de serre

·         Le volcanisme est-il encore actif ?

Les missions Venus Express et Akatasuki ont tenté de répondre.

Deux sondes de l’ESA ont survolé Vénus cette année 2021.

En juin 2021, l’ESA a sélectionné la mission EnVision pour retourner vers Vénus.

VENUS, LA TERRE ET MARS, DES DIFFÉRENCES NOTABLES.

Si Mars et Vénus ont des surfaces très différentes, leurs atmosphères sont similaires : CO2 principalement.

C’est la Terre qui se différencie des deux autres avec :

·         Une atmosphère différente : N2 et O2

·         Une tectonique des plaques

·         Une magnétosphère protectrice.

Mais il existe des points communs entre ces planètes quand même :

·         Vénus et la Terre ont des masses et volumes proches

·         Mars et la Terre ont la même obliquité, donc des saisons similaires

·         Les trois planètes ont une circulation atmosphérique similaire. Voir ici.

·         Présence d’un volcanisme passé

L’ATMOSPHÈRE PRIMITIVE DES PLANÈTES TERRESTRES.

On pense qu’au départ, les atmosphères de ces planètes possédaient toutes CO, CO2, N2 et H2O. (mais pas O2)

Sur terre le CO2 a été piégé par les océans, c’est la grande différence. Le CO2 se dissout bien dans l’eau (devient carbonate), les carbonates se déposent au fond des océans. La tectonique des plaques fait passer ces carbonates sous les continents et ressortent recyclés par les volcans. Le cycle recommence.

Voir figure.

H2O devait être présent sur Mars au début (et probablement sur Vénus aussi) de sa formation, et la grande question est : où est passée l’eau ?????

Un traceur qui peut nous permettre d’essayer de répondre à cette question : le rapport D/H.

Le rapport D/H, rapport entre la quantité de Deutérium (isotope de l’Hydrogène avec un neutron de plus dans le noyau) et l’Hydrogène « normal » (seulement un proton dans le noyau, donc deux fois moins lourd que D), donne une indication de l’origine de l’eau (l’eau peut être soit H20 soit HDO, eau semi-lourde ; soit D2O, eau lourde ; où un ou deux D a remplacé un H) dans le système solaire

Or il semble que l’enrichissement de l’eau en Deutérium soit antérieur à la formation du système solaire, il ne s’effectue que dans le milieu interstellaire froid.

Le rapport D/H est un marqueur des zones froides du système solaire (10 à 30K), s’il est élevé, cela signifie que le corps dont il est issu provient des zones froides (extérieures) du disque proto planétaire.

Donc on s’attendrait à avoir un D/H plus grand pour les comètes que pour les planètes géantes, car formées plus loin.

Pour information la nébuleuse solaire (mesuré dans l’atmosphère de Jupiter) a un D/H de 2 10^-5 soit près de 10 fois inférieur au D/H terrestre.

Référence pour le Système Solaire :D/H des océans terrestres 1,56 10^-4   Valeur VSMOW : Vienna standard mean ocean water

Il semble aussi que l’eau ait été très abondante dans l’atmosphère primitive de Vénus.

Une grande partie de H2 présent s’est échappé, le reste forme le fameux H2SO4 des nuages. H2 se trouve donc en faible quantité dans les nuages, ce qui est montré par un D/H important. D, plus lourd s’échappant moins vite que H.

Mars à l’origine possédait aussi certainement de l’eau, comme on le voit sur les photos prises par les sondes en orbite martiennes.

Manifestement un liquide a coulé !

Photo : Osuga Valles sur Mars, prise par la HRSC sur Mars Express.
Crédit ESA/DLR/FU Berlin,

On trouve aussi des vallées de débâcle et des zones de ruissellement.

On a aussi cherché le D/H de Mars.

Le D/H de l’atmosphère martienne est approx.  6 fois plus important que sur Terre.

L’eau très présente aussi, s’est très vite échappée dans l’espace dû à la faible gravité et à l’absence de champ magnétique, laissant ainsi agir le vent solaire.

L’enrichissement du D/H est dû à l’échappement différentiel de H par rapport à D (plus lourd).

Il reste de l’eau (glace) sous la surface, surtout près des pôles. Même si on trouve épisodiquement de la saumure sur Mars, l’eau a bien disparu.

Il y a peut-être eu un océan boréal sur Mars (zone bleue de l’hémisphère N, plus bas que le S). C’est sur ces potentielles rives que l’on pose le plus de sondes automatiques. Mars Odyssey avait déjà détecté de l’eau sous les pôles.

Mais une nouvelle histoire de l’eau sur Mars est en train de s’écrire grâce à l’instrument Omega à bord de Mars Express, c’est JP Bibring qui l’écrit et qui nous révèle la présence d’argiles (philosilicates). Ils ne peuvent se former qu’en présence d’eau (chaude) et présente pendant suffisamment longtemps. C’est là qu’il faut chercher d’éventuelles traces de vie. Voir la conf sur Mars de JPB en référence.

Comme les récents rovers, Curiosity, nous indique la présence d’un lac passé, un endroit possiblement « habitable », mais pas de trace de vie encore !

LE PARADOXE DU SOLEIL JEUNE.

Mais au début de son histoire, la Terre, il y a 4 milliards d’années, était illuminée par notre jeune Soleil, qui était 30% plus faible qu’aujourd’hui ; c’était comme si la Terre était 16% plus éloignée que maintenant. Elle aurait dû être complètement glacée, et pourtant on sait qu’il existait à cette époque de l’eau liquide. Pourquoi ? Par quel miracle ?

À cette époque, Vénus aurait pu avoir un océan d’eau liquide, mais toute trace a disparu et sur Mars, l’eau aurait dû être gelée.

Pour la terre l’explication est trouvée :

En fait, le climat s’est ajusté à la diminution du flux solaire., grâce au bénéfique effet de serre.

C’est ce que l’on appelle le paradoxe du Soleil faible ou jeune (en anglais : Early Faint Sun Paradox).

En effet, le Soleil émettant moins de lumière, la Terre devrait être couverte de glace. Mais on pense que les gaz à effet de serre (CO2) dus à la grande chaleur de la Terre primitive, ont compensé cette diminution d’intensité solaire.

On pense qu’il y a eu stabilisation du climat par le cycle carbonate / silicate.

Le CO2 se dissout bien dans l’eau (devient carbonate), les carbonates se déposent au fond des océans.

La tectonique des plaques fait passer ces carbonates sous les continents et ressortent recyclés par les volcans. Le cycle recommence.

Les gaz à effet de serre les plus efficaces : la vapeur d’eau (H2O), le Méthane (CH4) , et le CO2.

Sur Mars, on pense qu’au début, le climat devait être froid et sec avec des épisodes chauds.

Le dégazage par volcanisme et impacts pourrait avoir apporté de l’eau et former des vallées.

LES GRANDES LIGNES DE LA DIVERGENCE.

SUR VÉNUS.

Sur cette planète, on peut dire que l’effet de serre a été galopant.

Augmentation continue du flux solaire :

-> Évaporation des océans -> Augmentation de l’effet de serre (CO2, H2O)

-> Dissociation de l’eau -> Échappement de l’hydrogène

         -> Augmentation du rapport D/H

Resurfaçage global par volcanisme : -> Dégazage de CO2 (+ SO2 + H2O) -> Alimentation de l’effet de serre

Crédit Wikipedia CC BY-SA 3.0

Le réchauffement de la surface était un obstacle à l’apparition de la vie, a-t-elle migré vers les nuages ???

Voir cet article à ce sujet : Venus’ Atmosphere Could Host Acid-Resistant Microorganisms

Récemment on a annoncé la découverte de phosphine (PH3) dans les nuages de Vénus. Cela pouvait indiquer une certaine forme de vie possible, mais il semble bien que ce ne soit lié qu’à une activité volcanique.

SUR MARS.

·         Masse Mars = 1/10 x Masse Terre

·         Un champ de gravité faible

-> un bombardement météoritique réduit

-> une atmosphère plus ténue

·         Une quantité réduite d’éléments radiogéniques

-> une activité interne réduite

·         Dans le premier milliard d’années :

-> une activité interne réduite

-> une activité tectonique et volcanique

-> une atmosphère plus épaisse qu’aujourd’hui

Les différentes ères géologiques martiennes :

Crédit : Wikipedia

LA TERRE.

La Terre a évolué entre ces deux planètes extrêmes.

-      La température au départ était négative, inférieure à 0°C, on risquait la glaciation.

-      Nombreux impacts météoritiques et épisodes volcaniques qui réchauffent l’atmosphère.

-      Les océans se forment vers -4,2 Ga, le CO2 est piégé et se transforme en CaCO3.

-      La vie microbienne apparait vers -3,8 Ga

-      Puis la photosynthèse vers -3,4 Ga donnant naissance à

-      La période de la grande Oxydation vers -2,4 Ga.

-      Jusqu’à -0,6 Ga épisodes glaciaires

-      Vers -0,5 Ga formation de la couche d’ozone. Explosion du vivant (Cambrien)

En résumé, la Terre a bénéficié d’une position planétaire exceptionnelle, ni trop loin, ni trop près du Soleil, l’eau liquide était possible.

De plus la masse de la Terre était optimale, permettant magnétosphère, garder son atmosphère etc..

Il semble qu’un facteur important ait aussi joué dans l’apparition et le maintien de la vie : la présence de la Lune, qui a stabilisé l’axe de la Terre.

On rappelle que d’après les dernières connaissances, la Lune s’est formée suite à un impact avec un corps de la taille de Mars, approx 100 millions d’années après la formation du Système Solaire.

Cela a été une chance pour notre planète.

En effet, ce gros satellite a permis de stabiliser l’obliquité de la Terre, qui sans cela aurait pu varier de façon erratique de 0° à 85°, rendant l’évolution de la vie difficile si ce n’est impossible. Actuellement l’inclinaison de 23° est optimale pour le maintien de la vie.

En résumé :

La Lune stabilise les oscillations de l'obliquité de notre planète agissant ainsi comme régulateur climatique avec la succession régulière et permanente des saisons.

En effet la précession est un facteur important jouant sur l'insolation, la Lune a empêché le passage par des résonances chaotiques qui auraient certainement rendu la vie sur Terre profondément différente.

Merci la Lune !

La stabilisation de l’obliquité de Mars ne s’est pas produite comme pour la Terre, ce qui a certainement entraîné aussi des conséquences.

CONCLUSION : LE RÔLE DE L’EAU ET DE L’EFFET DE SERRE.

Diagramme des phases de l’eau.

Sur Mars, on est au niveau du point triple, l’eau se sublime, elle ne peut pas exister à l’état liquide.

Crédit : Univ Laval Québec.

L’effet de serre.

Il a été bénéfique sur Terre et a permis d’échapper à la glaciation permanente. La Terre possède ainsi un climat tempéré, favorable à la vie.

Par contre l’effet de serre s’est emballé sur vénus, causant la température énorme de surface.

Donc, un effet de serre modéré est bénéfique, attention qu’il ne s’emballe pas sur notre planète, conséquences principalement des activités humaines.

Nombreuses questions du public présent et sur YouTube. Merci pour cette passionnante conférence.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Mars Odyssey à la NASA

La mission Magellan vers Vénus.

La mission Venus Express à l’ESA

Venera timeline: The Soviet Union's Venus missions in pictures

Venus, Terre et Mars ... des destins très différents

Vénus, la Terre et Mars: une comparaison

Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir.

Tectonique des plaques

La Terre est-elle une exception dans l'Univers? CR  conf. F Forget à la SAF (Planétologie) le 9 Avr 2011

Atmosphère de Vénus - Définition et Explications

Mars, l’exploration commence : CR de la conf SAF de JP Bibring du 12 Dec 2012

The Faint Young Sun Paradox and Mars

La phosphine sur Vénus : des éruptions volcaniques à la place de microbes ?

Bon ciel à tous

Prochaine conférence SAF devant public:
le mercredi 13 Octobre 2021 19H00   au CNAM amphi Grégoire sauf contrordre sanitaire.
Benjamin Quilain du Labo Leprince Ringuet (École Polytechnique),
nous parlera de  LES NEUTRINOS, DÉCOUVERTES, MASSE, ANTIMATIÈRE ETC..,

Transmission en direct en même temps sur le canal YouTube de la SAF
Réservation : https://www.planetastronomy.com/special/SAF/conf-mens.htm    ou SAF

Sinon à suivre en direct : https://youtu.be/dEYzUxHXLIg

Jean Pierre Martin 

www.planetastronomy.com

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