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

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

2. 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

3. 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

4. Introduction Distance au soleil : 149 M Km Rayon : 6370 Km Distance au soleil : 222 M Km Rayon : 3402 Km M=1/10 Mt

5. Terre vs Mars Introduction Mount Olympus

6. Introduction Terre vs Mars • Trace de tectonique sur les deux planètes

7. Introduction Composition chimique de l'atmosphère de Venus, Mars et la Terre

8. 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

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

10. 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

11. 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

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

13. 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

14. 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.

15. 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.

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

17. 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)

18. 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.

19. I Origine de l'atmosphère/2 Terre vs Mars 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

20. 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.

21. I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète • 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 ?

22. 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 ?

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

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

25. I Origine de l'atmosphère/3 Vitesse de libération et masse d'une planète/b Vitesse d'agitation thermique des molécules de l'atmosphère Calcul de la masse de molécules recontrées dans l'atmosphère terrestre

26. 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

27. 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.

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

29. 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 !!

30. 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 !

31. II Dynamique atmosphère mars Dynamique de l'atmosphère de mars

32. 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

33. II Dynamique atmosphère mars

34. II Dynamique atmosphère mars • Atmosphère transparente • Calotte polaire (glace solide) • Voile blanc = précipation de gaz carbonique

35. II Dynamique atmosphère mars/1 profil vertical vénus mars

36. 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 vénus mars

37. II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière • Photo de mars prise en été et en hiver

38. 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 ?

39. 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).

40. II Dynamique atmosphère mars/2 Variation saisonnière Dynamique de l'atmosphère sur mars

41. 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

42. 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

43. 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

44. III Atmosphère Vénus – Role de la rotation 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

45. III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/1 Force de coriolis sur Terre et Vénus Ordre de grandeur des forces de pression et de coriolis sur Terre • Force pression = différence de Pression/distance =

46. 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 `

47. 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

48. III Atmosphère Vénus – Role de la rotation/2 Circulation globale Ainsi il n'y qu'une seule cellule de convection sur Vénus

49. 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

50. IVBilan 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.