EVOLUTION THERMIQUE PRIMORDIALE DE MARSEVOLUTION THERMIQUE PRIMORDIALE DE MARS

Nathalie MICHELNathalie MICHELNathalie.michel@cesr.frNathalie.michel@cesr.fr

22èmeème année de thèse année de thèse

Département Système SolaireDépartement Système Solaire

Dir. : Olivier ForniDir. : Olivier Forni

Depuis l’envoi des premières sondes Martiennes nous savons qu’il n’y a actuellement pas de champ magnétique sur Mars. Cependant de récentes missions ont découvert des traces d’aimantation à la surface, qui indiqueraient que dans le passé, Mars possédait un champ magnétique. L’objectif de ma thèse est de comprendre comment ce champ magnétique s’est crée et pourquoi il a disparu. On sait que la présence d’un champ magnétique est liée à la dynamo du noyau de la planète, dynamo issue de mouvements de convection dans le noyau qui dépendent eux-mêmes de la convection dans le manteau. C’est pourquoi lors de ma thèse je commencerais par étudier les phénomènes de convection dans le manteau Martien à l’aide d’outil de simulations numériques 2D2D. J’étudierais comment évolue la structure et la composition du manteau et les conséquences sur l’évolution thermique de Mars, la génération d’une dynamo du noyau et éventuellement le réactivation de cette dynamo.

Contexte et ObjectifsContexte et Objectifs

Furturs travauxFurturs travaux

RéférencesRéférences

[1] Connerney et al. 2001, GRL - [2] Bibring et al. 2006, Science - [3] Langlais et al. 2004, JGR - [4] Moresi L.-N. and Solomatov V. S., 1995, PF - [5] Roberts J. H. and Zhong S., 2004, JGR - [6] Christensen, U. R., and D. A. Yuen, 1985, JGR - [7] Stevenson D. J. et al., 1983, Icarus [8] Dreibus, G., Wänke, H., 1985, Meteoritics - [9] Treiman, A.H. et al., 1986, GCA - [10] Davaille, A., Jaupart, C., 1993, JFM - [11] Breuer D. et al., 1998, GRL

•Un champ magnétique fossile qui témoigne de l’activité passée d’une dynamo au sein du noyau métallique de Mars [1] (découvert par la mission Mars Global Surveyor)

•Une disparition du champs magnétique qui s’est probablement accompagnée de l’échappement de l’atmosphère dense qui dominait à l’époque [2] ce qui a dû avoir des conséquences importantes sur l’évolution et le développement futur d’une éventuelle présence de vie à la surface de Mars.

Fig. 1 – Anomalies magnétiques de Mars, témoins d’un champ magnétique fossile. [3] Elles indiquent que ce champ a été présent suffisamment longtemps pour avoir subi une inversion (polarité).

Convection dans le manteau MartienConvection dans le manteau Martien

(en prenant plusieurs paramètres en compte et en particulier : les transitions de phases)

Comprendre la dichotomie de la croûte Martienne

L’évolution thermique de MarsL’évolution thermique de Mars

La disparition du champ magnétique

L’arrêt et la reprise éventuelle de la L’arrêt et la reprise éventuelle de la dynamodynamo

CITCOM2D code numérique d’éléments finis [4, 5]Axi-symétrique, coordonnées sphériques, grille (65x129)

La convection est décrite par les équations de conservation de masse, moment et énergie, avec l’approximation de Boussinesq.[6].

Les effets suivants sont pris en compte:

• Le refroidissement du noyaurefroidissement du noyau à partir de son état initialement chaud [7]

• La décroissance des éléments radioactifsdécroissance des éléments radioactifs : En prenant les valeurs de 16 ppb U et les rapports de concentrations de K/U de 104 et Th/U de 3 [8, 9].

• Une viscosité dépendant de la températureviscosité dépendant de la température () dérivée de la loi de Arrhenius [10], avec E l’énergie d’activation pour la déformation visqueuse, Tr la température de référence entre la surface et la limite noyau-manteau (CMB).

• La présence de phases de transitionsphases de transitions dans le manteau: - Exothermique (Olivine Spinelle) : à 780 km du CMB- Endothermique (Spinelle Perovskite) : à 50km ou 100km du CMB

qui est présente que dans le cas d’un petit noyau

• Un petit noyaupetit noyau de 0.4 fois le rayon de Mars (=1360 km) [11] Fig.3. Flux de chaleur à la base du manteau, de 0 Ga à 6 Ga. Dans le cas (a) la viscosité est constante, et dans le cas (b) on impose un contraste de viscosité de 107.

Fig.2. Profil de Temperature dans le manteau Martien à différentes périodes. Dans le cas (a) la viscosité est constante, et dans le cas (b) on impose un contraste de viscosité de 107. Les températures varient de 0 (bleu) à 1 (rouge).

Dans le cas où la viscosité est constante, la transition endothermique disparaît vers 2.8 Ga. Le flux de chaleur venant du noyau decroît avec le Dans le cas où la viscosité est constante, la transition endothermique disparaît vers 2.8 Ga. Le flux de chaleur venant du noyau decroît avec le refroidissement du noyau et augmente fortement lorsque la transition endothermique disparaît, ce qui pourrait expliquer une réactivation éventuelle de la refroidissement du noyau et augmente fortement lorsque la transition endothermique disparaît, ce qui pourrait expliquer une réactivation éventuelle de la dynamo du noyau. Cependant, on sait que dans le manteau Martien il y a de forts contrastes de viscosité qui augmentent sensiblement la température du dynamo du noyau. Cependant, on sait que dans le manteau Martien il y a de forts contrastes de viscosité qui augmentent sensiblement la température du manteau. Dans ce cas là la transition endothermique ne disparaît pas dans des temps raisonnables à l’échelle du système solaire, et n’a pas d’effet particulier manteau. Dans ce cas là la transition endothermique ne disparaît pas dans des temps raisonnables à l’échelle du système solaire, et n’a pas d’effet particulier sur le profil du flux de chaleur provenant du noyau.sur le profil du flux de chaleur provenant du noyau.

Dans la suite de mes travaux je vais continuer mes analyses 2D dans le cas d’un petit noyau puis je comparerais avec de nouveaux cas où le noyau est de Dans la suite de mes travaux je vais continuer mes analyses 2D dans le cas d’un petit noyau puis je comparerais avec de nouveaux cas où le noyau est de taille plus raisonnable (1700 km). De plus, je passerai à une grille de calcul numérique plus fine afin d’avoir des résultats encore plus précis, même si cela taille plus raisonnable (1700 km). De plus, je passerai à une grille de calcul numérique plus fine afin d’avoir des résultats encore plus précis, même si cela implique de très long calculs.implique de très long calculs.

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