Origine de l'atmosphère de la Terre Comparaison avec Mars et Vénus

Plan du cours 0) Introduction

I) Origine atmosphère

1) Terre (datation argon et xénon)

2) Comparaison rapport isotopique Terre et Mars

3) Interprétation : influence de la masse d'une planète sur la vitesse de libération et la possibilité de conserver son atmosphère

II) Dynamique de l'atmosphère de mars

1) profil vertical

2) Variation saisonnière et calote polaire

III) Vénus : influence de la vitesse de rotation d'une planète

IV) Bilan: datation, influence masse, rotation, vie sur l'atmosphère l'atmosphère d'une planète

Correction TD1

I-1, I-2 => slide 12-18

I-3 => slide 19,20

I-4 => slide 22-30

II → slide 44-48

III → pas ici

Distance au soleil : 149 M KmRayon : 6370 Km

Distance au soleil : 222 M KmRayon : 3402 KmM=1/10 Mt

Introduction

Terre vs Mars

Mount Olympus

Introduction

Terre vs Mars

Trace de tectonique sur les deux planètes

Introduction

Composition chimique de l'atmosphère de Venus, Mars et la

Terre

Introduction

Vénus et Mars ont des atmosphères assez similaires

Terre a moins de C02 (piégeage sédiment calcaire, dévelopement foret,...), plus d'O2 (produit par les végétaux chlorophyliens).

Si on annulait les effets de l'activité biologique sur Terre on aurait 94% de CO2 et 2,3% de N2 = Atmopshère de Mars et Vénus

Introduction

L'atmosphère terrestre est-elle issue de la nébuleuse pré-solaire?

Le soleil s'est formé par accrétion de gaz de la nébuleuse pré-solaire.

On peut se demander si l'atmosphère provient également de la nébuleuse pré-solaire, ou si elle s'est formée ultérieurement.

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /a L'atmosphère est-elle primaire ou secondaire ?

Abondance relative de différent gaz rares entre le soleil et l'atmosphère terrestre

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /a L'atmosphère est-elle primaire ou secondaire ?

Abondance relative de différent gaz rares entre le soleil et l'atmosphère terrestre

=> très faible abondance de ces gaz rares sur Terre. L'atmosphère terrestre n'est pas la meme origine que le soleil

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /a L'atmosphère est-elle primaire ou secondaire ?

Quand s'est formée l'atmosphère terrestre ?

L'idée est de se servir de traceurs isotopiques tel que l'Argon 36

36Ar est un isotope stable ne pouvant pas etre produit par désintégration radioactive.

40Ar n'existait pas à l'origine de la Terre. Il s'est formé par la désintégration du 40 K.

=> Le rapport 40Ar/36Ar augmente au cours du temps

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /b Datation argon

Le rapport 40K/36K dans l'atmosphère est l'intégrale du rapport 40K/36K dans le manteau pondérée par l'importance du dégazage.

Si l'atmosphère s'est formée tot par dégazage du manteau , 40K/36K doit-etre plus faible dans l'atmosphère que dans le manteau

Si l'atmosphère s'est formée récemment: le rapport 40K/36K sera identique dans le manteau et l'atmosphère

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /b Datation argon

Basalte issue d'une dorsale océanique

La partie vitrifiée s'est refroidit instantanément

=> Elle a pu retenir des gaz issu du manteau avant qu'ils n'interagissent avec l'exterieur.

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /b Datation argon

On chauffe l'échantillon par palier en analysant le rapport isotopique 40Ar/36Ar

=> Les rapports sont entre 10000 et 20000 contre ~300 dans l'atmosphère

=> Ce résultat ne peut s'expliquer que par un dégazage précoce et important du manteau, formant ainsi l'atmosphère.

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /b Datation argon

Datation de l'atmosphère grace au Xénon

L'iode 129 est un isotope qui n'existe plus à l'heure actuelle. Il se désintègre en Xenon 129 avec une période de demi vie de 17 mA.

Au début de l'histoire de la Terre il n'y avait pas de xenon 129 => le xenon 129 actuelle est issu de la désintégration de l'iode 129

Le xenon 130 est un isotope stable.

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /c Datation xénon

Comparaison des rapport entre des roches issues du manteau supérieur et l'atmosphère.

=> Le manteau est enrichi en 129Xe par rapport à l'atmosphère

=> L'atmosphère s'est formée avant que la totalité du 129 Xe se forme

=> L'atmosphère s'est formée en moins de 170 mA (10x la demie vie de l'iode 129)

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /c Datation xénon

L'atmosphère s'est formée dans les 170 premiers millions d'années de l'histoire de la Terre.

En effet la Terre se refroidit au cours du temps, si bien que le dégazage (volcanisme,..) devient moins important.

I Origine de l'atmosphère/1 Terre /c Datation xénon

Comparaison rapport isotopique dans l'atmosphère entre Mars et la Terre

Le rapport 129Xe/132 Xe plus élevé sur mars que sur la Terre.

=> Formation précoce de l'atmosphère comme sur Terre entraine un rapport faible

=> Sur Mars l'atmosphère initiale pauvre en 129 Xe se serait échappé rapidement. Le xénon 129 dégazé ulterieurement dans l'histoire de la planète se serait mélangé à une atmosphère de faible épaisseur => concentration élevée

=> confirmé par le rapport 40Ar/36Ar élevé

I Origine de l'atmosphère/2 Terre vs Mars

Comparaison rapport isotopique dans l'atmosphère entre Mars et la Terre

Le rapport D/H montre que l'atmosphère de mars est enrichie en isotope lourd

=> isotopes légers se sont échappées de l'atmosphère.

I Origine de l'atmosphère/2 Terre vs Mars

Vue rasante de mars prise par la sonde Vicking en 1976 : on distingue l'atmosphère de mars peu épaisse.

=> Pourquoi l'atmosphère de mars est-elle si peu épaisse ?

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète

Vitesse de libération

On envoit un objet de masse m en l'air avec une vitesse v. Quelle doit etre są vitesse initiale v pour qu'il puisse s'échapper de l'atmosphère ?

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète

Vitesse de libération

On envoit un objet de masse m en l'air avec une vitesse v. Quelle doit etre są vitesse initiale v pour qu'il puisse s'échapper de l'atmosphère ?

Pour la Terre : Rt = 6370 km, M=5.9*10^24 Kg => v= 11.2 km/s

Pour Mars : Rm =3396 km, M=641*10^21 Kg => v = 5 km/s

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/a calcul de la vitesse de libération

Quelles sont les vitesses des molécules constituant l'atmosphère?

L'énergie cinétique moyenne des molécules dépend de la température :

Ainsi la vitesse quadratique moyenne des molécules dans l'atmosphère est:

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planèteI Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/b Vitesse d'agitation thermique des molécules de l'atmosphère

CCL : La vitesse de libération est la meme pour toutes les molécules. Mais la vitesse d'agitation thermique des molécules dépend de leur masse et de la température

Calcul de la masse de molécules recontrées dans l'atmosphère terrestre

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/b Vitesse d'agitation thermique des molécules de l'atmosphère

Vitesse quadratique moyenne à des températures typique de la surface de Mars, la Terre et Vénus

en m/s

02 N2 D H

250 K 441 471 1765 2500

300 K 483 516 1934 2735

500 K 623 667 2497 3600

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/b Vitesse d'agitation thermique des molécules de l'atmosphère

Distribution des vitesse de l'02,D,H pour une atmosphère à 300K

L'hydrogène peut s'échapper assez facilement sur mars et plus difficilement sur Terre.

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/b Vitesse d'agitation thermique des molécules de l'atmosphère

La Terre du fait de są masse retient bien l'ensemble de son atmosphère

Mars plus légère tend à perdre les éléments les plus légers de son atmosphère (H, D, He,...), mais peut conserver les éléments plus lourd (C02)

L'hydrogène s'échappe plus facilement que le Deutérium de l'atmosphère de Mars car il est plus léger => le rappord D/H + élevé sur mars que sur la Terre (qui retient aussi bien D et H).

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/c Conclusion

Limitation de cette approche

Le calcul de la vitesse de libération a été fait pour une molécule située à la surface de la Terre.

Cette hypothèse est pertinente pour les molécules proches de la surface (90% de l'atmosphère se trouve dans les 20 premiers km).

Les molécules situées à des altitudes + élevées, s'échapperont plus facilement !!

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/c Conclusion

Jupiter exemple d'une planète massive

L'atmosphère a une épaisseur de 63000 Km = 99% de la planète!

L'H et l'Hélium ne s'échappent pas => on en trouve sur 60 000 Km !

I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/c Conclusion

Dynamique de l'atmosphère de mars

II Dynamique atmosphère mars

Mars est assez comparable à la Terre : Taille proche (rayon 2x plus petit) Meme longueur du jour Présence de saison été/hiver comme sur Terre

II Dynamique atmosphère mars

II Dynamique atmosphère mars

Atmosphère transparente

Calotte polaire (glace solide)

Voile blanc = précipation de gaz carbonique

II Dynamique atmosphère mars

mars vénus

II Dynamique atmosphère mars/1 profil vertical

Il n'y a pas de vie sur Mars => pas de production d'oxygène => pas d'ozone comme sur Terre => température ne fait que décroitre

mars vénus

II Dynamique atmosphère mars/1 profil vertical

Photo de mars prise en été et en hiver

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

La calotte (glace de C02 avec peu d'H20) change de pole entre l'été et l'hiver

=> La calotte nord se sublime au début de l'été et se recondensce au pole sud.

=> gaz dans l'atmosphère marsienne sont rapidement

transportés d'un hémisphère à l'autre ?

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

Présence de glace solide sur le site d'atterrissage de la sonde Vicking en hiver (lat = 45 N).

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

Dynamique de l'atmosphère sur mars

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

On distingue une progression de la masse brune près de la calotte nord => effet du vent qui déplace le sable à la surface de mars

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

Evolution de la calotte polaire de mars au cours de l'année marsienne

La calotte polaire est composé de glace de C02 et un peu d'H20 sous forme de glace

La calotte nord se sublime en été

Il fait -120 deg l'hiver au pole nord et sud

Et -100 deg en été au pole sud et -50 au nord

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

A l'automne, la sublimation de la calotte sud et są condensation au nord, s'accompagne de violentes tempetes masquant la surface marsienne

II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière

Dynamique de l'atmosphère de la Terre et de Vénus – Role de la rotation

La Terre et Vénus ont à peu près la meme masse, taille, vitesse de libération et composition chimique

En revanche Vénus tourne très lentement sur elle-meme => un jour sur vénus = 234 jour terrestre ! => Force de coriolis y est très faible => pas d'équilibre géostrophique dans l'atmosphère

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation

Ordre de grandeur des forces de pression et de coriolis sur Terre

Force pression = différence de Pression/distance

=

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/1 Force de coriolis sur Terre et Vénus

Force de Coriolis

Pour la Terre omega=2pi/(24*3600)=7.2e-5 rad/s

Pour Vénus: omega=2pi/(243*24*3600)=3e-7 rad/s

Pour une masse d'air se déplaçant à 10 km/h

Si la Terre tournait à la meme vitesse que vénus il n'y aurait pas d'équilibre géostrophique

`

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/1 Force de coriolis sur Terre et Vénus

Bilan

Sur Terre les vents se font tangentiellement aux isobarres

Sur vénus les vents se font perpendiculairement aux isobarres

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/1 Force de coriolis sur Terre et Vénus

Ainsi il n'y qu'une seule cellule de convection sur Vénus

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/2 Circulation globale

Atmosphère épaisse : on ne distingue pas le sol

Nuage en Y : vent violent à l'équateur : >350 Km.h d'est en ouest <= fort contraste thermique entre la face éclairée et la face sombre

III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/2 Circulation globale

Bilan : datation atmosphère

En proportion le soleil contient de 1 million à 1 milliard de fois plus de gaz rare que l'atmosphère terrestre => L'atmosphère n'est pas directement issue de la

nébuleuse présolaire = n'est pas primaire => L'atmosphère est dite <secondaire> c'est à dire

issue du dégazage du manteau.

IVBilan

Bilan : datation atmosphère 40K-> 40Ar : ~1.3 milliard d'année. Datation moins

précise que le xénon (période de demi-vie plus élevé). Permet de dater aussi bien des évènement récent qu'ancien.

Iode 129/ xénon 129 : exemple de radioactivité éteinte : la période de demi-vie de l'iode 129 est de 17 mA

=> permet de dater l'origine de l'atmosphère précisément

=> Si l'atmosphère s'était formée tard (au delà de ~10 demi vie), n'apporterait aucune information.

IVBilan

Bilan: masse/volume d'une planète planète légère : ex Mars

A perdu une partie importante de son atmosphère initiale (explique ses rapports isotopiques 40Ar/36Ar, 129Xe/130Xe, D/H)

Perd préférentiellement les éléments légers (H,D,He) Planète intermédiare: Terre (5.9e24 kg)

Perd son atmosphère lentement. Essentiellement l'hydrogène, l'hélium situé dans la haute atmosphère

Planète massive : ex jupiter

Retient toute son atmosphère => atmosphère massive

IVBilan

Mars Terre Vénus Jupiter

Masse planète (kg)

6.21e23 (1/10 Terre)

5.9e24 4.8e24 1.8e27 (~300 Terres!)

Vitesse libération

5 km/s 11.2 km/s

10 km/s 59 km/s

Composition chimique atmosphère

C02 (95%)

80% N2 + 20% 02 (vie)

C02 (95%)

H2 (80%), H (13%) (s'est formé plus loin du soeil (=>+gaz léger initial) et peu conserver les éléments léger (masse importante)

IVBilan

Bilan: influence volume d'une planète sur la dynamique interne (rappel)

Volume planète plus élevée => rapport volume/surface + important

=> production de chaleur par éléments radioactif plus important par rapport au refroidissement de la planète

=> planète refroidit plus lentement

=> convection plus vigoureuse dans le manteau et le noyau et durant plus longtemps

=> planète peu générer un champ magnétique plus longtemps (ex Mars a perdu son CM, pas la Terre).

IVBilan

Bilan : effet de la rotation planète

Rotation rapide (Terre) => Force coriolis importante => 3 cellules de convection en fonction de la latitude dans l'atmosphère + noyau externe pouvant générer un CM

Rotation lente (Vénus) => Force de coriolis faible =>

1 cellule de convection + turbulence aux poles fort contraste entre la face éclairée par le soleil et

la face sombre = vent violent (~400 Km/h) Pas de possibilité de générer un CM = pas de vie

possible

IVBilan

Bilan : dévelopement végétation

=> production d'02 => atmosphère contient du dioxygène et peu de C02

=> effet de serre plus faible

=> couche d'ozone dans la statosphère (protège des U.V et réchauffe la stratosphère)

IVBilan

Bilan: impact de la vie

IVBilan

Bilan distance au soleil

A faire

IVBilan

FIN

Atmosphère de mars

Evolution de la pression atmosphérique à la surface mesurée par vicking 1