séance 3 - LMD

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séance 3 - LMD

Planétologie: atmosphère, surface, habitabilité
UE M1 Grandes Questions Environnementales
Aymeric SPIGA
Laboratoire de Météorologie Dynamique
Université Pierre et Marie Curie (Paris)
Année universitaire 2015-2016
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Cours GQE. Planétologie
Transparent 1
Cours magistral 3 : Diversité, évolution, habitabilité
1
Forçages astronomiques sur les climats planétaires
Influence des paramètres orbitaux
Evolution du Soleil
Glaciation divergente
Effet de serre divergent
2
Destins liés des atmosphères et du système solaire
Processus liés à la formation et l’accrétion
Echappement
Lessivage et resurfaçage
Synthèse et généralisation
3
Habitabilité et recherche de la vie
Quelques éléments et questions
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 2
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 3
Les cycles climatiques et leurs forçages
[E. Bard, Leçon inaugurale Collège de France, 2002]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 4
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 5
Cycles de Milanković
[S. Jousseaume in Le Climat à Découvert, CNRS éditions, 2011]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 6
Cycles de Milanković depuis un million d’années
[P. von Ballmoos in Le Climat à Découvert, CNRS éditions, 2011]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 7
Martian northern polar cap
[MGS/MOC visible image]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
[HRSC visible image (3D-projected)]
Transparent 8
Latitude-Dependent Ice-Related Deposits
Latitude-dependent layer found above 30º North and South latitude.
(Mustard et al., 2001; Kreslavsky and Head, 2000, 2002; Milliken et al., 2003; Head et al., 2003)
Transparent emprunté à J. Head (Brown university)
Mars
Lineated Valley Fill:
Debris-Covered
Valley Glacier Systems.
-Recommendations
to and correlations
with SHARAD
Earth
Latitude-Dependent Ice-Related Deposits
Latitude-dependent layer found above 30º North and South latitude.
(Mustard et al., 2001; Kreslavsky and Head, 2000, 2002; Milliken et al., 2003; Head et al., 2003)
Mission Phoenix sur Mars 2009
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 12
Byrne et al. 2009 : Des impacts météoritiques révèlent la présence de
glace vers 40°N (Un peu trop profonde pour être détectée par le
spectromètre Neutron de Mars Odyssey).
La glace excavée se sublime en moins de 100 jours :
Byrne et al. 2009
Transparent emprunté à F. Forget (LMD)
Récents changement climatique due aux variations
de l’obliquité
• Sur Terre : variations climatiques initiés par des oscillations d’obliquité
pourtant faibles..
Variations d’obliquité beaucoup plus importante sur Mars (Laskar and
Robutel 1993, Touma and Wisdom 1993) : fortes variations climatiques ?
<
mpact des variations d’obliquités sur le climat
martien (considérations théoriques)
Résumé : Evolution possible des réservoirs d’eau
avec les variations d’obliquité
Head et al., Nature 2003
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 18
Evolution du Soleil au cours du temps
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 19
Ice-albedo feedback
[R. Pierrehumbert, Principles of Planetary Climate, 2010]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 20
The faint young Sun paradox:
• Sun 20-25% weaker during the Archean
• Geological evidence for liquid water and primitive life
• Need for warming processes
Solutions:
A reduced
planetary albedo
• less lands
• larger cloud droplet
Transparent emprunté à B. Charnay LMD
Greenhouse gases
• C02
• CH4
• NH3
•…
Other effects
• higher atmospheric
pressure
• faster rotation
Non-Polar Ice on Mars: Relation to Geologic History
- Heavy impact
bombardment.
- Valley
networks.
- “Warm/Wet”
early Mars?
-Volcanism.
- Low impact rates.
- Outflow
channels.
- Tharsis volcanism continues.
- Oceans?
- Outflow channels continue.
- South
circumpolar
deposits.
- Late-stage polar caps.
- “Cold/Dry” late Mars.
MARS : Warrego Vallis
150 km
EARTH
(Yemen ; same scale)
Transparent emprunté à F. Forget LMD
« clays »
phylosilicate: smectite
(Nontronite)
• Clay are formed by water
alteration over geological
timescale a Large water surface
reservoir, runoff ?
• In very ancient terrains:
unburried deposits by impacts,
eolian or flow erosion
•However subsurface (e.g.
hydrothermal) process cannot be
dismissed
Syrtis major
Adapted from Bibring et al. 2005
See also Poulet et al. 2005
Bibring et al. 2006
Les myrtilles d’Opportunity
[Image NASA/JPL]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 25
Veines de gypse découvertes par Curiosity en 2014
Apport régulier sur longue durée d’une eau tiède, sels minéraux, peu acide
[PIA16617 NASA / Université Nantes]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 26
Inevitable Global Warming!!!
★ The Sun will be ~30% brighter before leaving the main
sequence
• When (and how) will the Earth lose its oceans?
Habitable Zone
H2O
Runaway/moist
greenhouse
limit
Transparent emprunté à J. Leconte (Univ. Toronto)
H2O glaciation
limit for maximum
greenhouse
Effet de serre humide divergent
(Terre et Vénus)
[Kasting, 1988]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 28
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 29
Inventaire initial
&
VENUS : CO2 ~90 b
H20 ~ 450 b
N2~ 3b
TERRE: CO2~60 b
H2O~300b
N2~2b
MARS: CO2~10 b
H2O~50b
N2 ~ 0.3 b
tmosphère actuelle:
VENUS: <Ts> > 450°C
CO2~90b
H2O/CO2<<1
N2~3b
EVOLUTION
TERRE: <Ts> ~ 15°C
CO2~0.0003 b
O2~0.2 b
N2~0.8 b
océans liquides
MARS: <Ts> < -50°C
CO2 = 0.006 b
N2 = 0.0002 b
Atmosphère primaire vs. secondaire
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 31
Composition des atmosphères planétaires
[Cours de F. Codron, LMD]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 32
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 33
The formation of planets
[McBride and Gilmour, An Introduction to the Solar System, 2004]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 34
La frontière des glaces
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 35
Phénomènes principaux contrôlant la formation et
l’évolution des atmosphères planétaires
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 36
Sources d’énergie et de matière
• Matière (source interne)
– Volcanisme, dégazage lent
• Vénus : SO2 ?
• Terre : composition observée des fumerolles
H2O CO2 SO2 N2
~97% 2-3% 0,1%
Cl H2
• Io : SO2, S2
Transparent emprunté à B. Bézard (LESIA)
H2S …
Origin of the cataclysmic Late Heavy
Bombardment period of the terrestrial planets
The LHB was triggered by the rapid migration of the giant planets
[Gomes et al. Nature 2005]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 38
• Matière (source externe)
– Flux météoritique
• Source de composés oxygénés dans la haute atmosphère des planètes géantes et
de Titan : H2O, CO et CO2 par photochimie
À Exemple : Saturne, ~ 4×106 atomes de O cm-2 sec-1 Á50 litres sec-1 de H2O
sur toute la planète
– Flux cométaire
• Source de nouveaux composés crées dans l’atmosphère par chimie de choc
À Exemple : Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter, À CO, HCN, CS encore
détectables aujourd’hui !
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 40
Processus d’échappement
Vitesses: thermique Vth =
q
3RT
M
/ d’échappement Ve =
q
2GMP
R+h
Échappement thermique
Négligeable uniquement si λ = VVthe ≫ 1
Flux de Jeans : Φe = 2n√cπ Vth (1 + λ) exp(−λ)
Inefficace sur Vénus
Echappement de H, H2 et D pour Mars, Titan et la Terre.
Échappement non thermique
Processus majoritaires
Échappement d’ions positifs excités.
Excitations et ionisation par collisions (avec autres atomes ou
électrons libres) et/ou photochimie.
[Transparent d’après B. Bézard et E. Marcq]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 41
Thermal (hydrodynamic escape) stability
4
10
Relative Stellar Heating
COROT7 b
2
10
transiting
extrasolar
Gliese 876d GJ436b planets
Mercury
Venus
Earth
Moon
0
10
More Asteroids
-2
10
Hektor
Vesta
Mars
Pallas Ceres Callisto
Ganymede
Rhea Europa Io
Titan
Iapetus
Charon
-4
10
2003EL61
Quaoar
2005FY9
Jupiter
Saturn
Uranus
Triton
Pluto
Eris
Neptune
Sedna
-6
10
0.1
1
10
100
Escape Velocity [km/s]
From Zahnle & Catling (2013), The cosmic shoreline, 44th Lunar Planet. Sci. Conf.,
2787
36Ar/38Ar
– une signature robuste de la perte atmosphérique de Mars
SAM
2013
Jupiter
Sun
Earth
Inferred
from Mars
meteorites
Viking
1976
Primordial argon (Ar)
Ar from a processed atmosphere
Transparent emprunté à P. Coll (LISA) d’après Atreya et al. Science 2013
!
es hamps magnétiques planétaires
L s champs magnétiques des planètes ne sont pas dûs à des
aimants permanents solides (type métal aimanté de boussole) car :
- la température des noyaux des planètes est supérieure à celle
de la température de fusion des métaux
- le champ magnétique de la Terre est trop variable
le champ magnétique est donc généré (dynamique)
Seulement, le mécanisme de génération est aujourd’hui difficilement
contraint.
On sait qu’un fluide conducteur en mouvement génère un champ
magnétique
 on pense que le noyau métallique liquide des planètes à champ
magnétique peut être en rotation rapide et générer ce champ
(géodynamo)
Si cette hypothèse est vraie, cela signifie qu’une planète à champ
magnétique :
- possède un gros noyau liquide
- que ce noyau est en grande partie métallique
- la planète a une vitesse de rotation rapide
Transparent emprunté à C. Szopa (LATMOS/UVSQ)
uoi Mars a-t-elle perdu son atmosphère ?
PI: B. Jakosky
University of
Colorado
Mars Atmosphere and
Volatile EvolutioN
(MAVEN) Mission
Lancement:
18 Novembre 2013
Transparent emprunté à F. Leblanc (LATMOS) et F. Forget (LMD)
Instruments plasma et
neutre pour la
caractérisation de la
haute atmosphère, de
l’échappement et de
leur variabilité
Insertion:
16 Septembre 2014
IUVS observations by MAVEN of atomic H and O
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 47
L’augmentation de la température
entraine la perte de l’eau dans l’espace
Echappement de H.
ltitude
Rayonnement UV extreme
H2O → OH +H
« Photodissociation »
Temperature
Transparent emprunté à F. Forget LMD – voir aussi rapport D/H très élevé
Une histoire possible de Vénus ?
Divergence de l’effet de serre
Auparavant, Vénus ressemble davantage à la Terre : eau liquide
abondante, température modérée, tectonique des plaques
À mesure que le flux solaire augmente, emballement de l’effet
de serre (H2 O + CO2 ) : évaporation de toute l’eau, passage de
la majorité des carbonates dans l’air, température de surface
très élevée (> 1000 K)
Photodissociation et perte de l’eau : effet de serre à CO2 seul,
fin de la divergence
Arrêt de la tectonique : passage à une activité volcanique
épisodique entraînant au moins un resurfaçage intermittent.
Dernier resurfaçage connu il y a 5.108 ans : Vénus a-t-elle été
habitable pendant la majorité de son histoire ?
Quelle destinée attend la Terre à long terme (109 ans) ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 49
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 50
Cycle des carbonates-silicates
Lessivage + précipitation coquilles + subduction (tectonique des plaques)
T ↓ ⇒ precipitations ↓ ⇒ lessivage ↓ ⇒ p rad ↑ ⇒ effet serre ↑ ⇒ T ↑
[Kasting and Catling Annu. Rev. Astro. Astrophys. 2003]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 51
Carbonates martiens
[Ehlmann et al. Science 2008]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
[Morris et al. Nature 2010]
Transparent 52
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 53
Evolution des atmosphères
Origine
Flux solaire
Composition
Chimie
Impacts
Evolution
Séquestration
sol
Echappement
Stabilité
Stabilité
du
climat
Stabilité
chimique
Phénomènes principaux contrôlant la formation et
l’évolution des atmosphères planétaires
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 55
Planètes extrasolaires
Hot Jupiters! ex: 189733b . . . Super Earths! ex: Gliese 581d
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 56
Planets discovered by radial-velocity surveys
[Mayor et al. Nature 2014: Doppler spectroscopy as a path to the detection of Earth-like planets]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 57
Candidats exoplanétaires mission Kepler
[Leconte et al. Exp Astron 2014]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 58
Différentes classes d’atmosphères planétaires
[Leconte et al. Exp Astron 2014]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 59
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 60
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 61
Les extrêmophiles
Les bactéries et la vie dans des conditions extrêmes
Transparent emprunté à C. Szopa LATMOS/UVSQ
Paramètre Physico-
Type d’organisme
Définition / Croissance optimale
chimique
=
Température
pH
yperthermophile
>80°C
Thermophile
60°-80°C
Psycrophile
< 10-15°C
Acidophile
pH < 2-3
Alkaliphile
pH > 9-10
Salinité
Halophile
fortes concentrations de sel
Pression
Barophile
Haute pression
(~2-5M NaCl)
(Piézophile)
Dessication
Xérophile
conditions d’anhydrobiose
Radiation
Radiotolérant
supportent des fortes doses de radiation
Métaux
Metalotolérant
supportent des fortes concentrations des
métaux
La vie ???
• Plusieurs définitions
possibles…
• Notre expérience :
Vie =chimie du carbone
“Vie = eau
uide”
Complément suite à question
H2 O développe des liaisons hydrogène, elle n’est pas la seule (cf.
molécules biologiques polaires, molécules à groupes carbonyles) mais
elle peut en établir jusqu’à quatre
la directionnalité de la liaison H aligne O-H–H-O pour des
architectures moléculaires très bien définies (ex: liens brins ADN)
l’énergie de liaison est de l’ordre des énergies des fluctuations
thermiques : flexibilité et évolution possible à T ambiante
certaines liaisons H peuvent transferer des ions H+: réactivité
du milieu donc activité des molécules biologiques
De ce fait, et de plus par sa polarité, l’eau est un solvant
exceptionnel: liquide plus condensé que glace, propriétés uniques de
dissolution des acides et bases, etc..
http://link.springer.com.accesdistant.upmc.fr/article/
10.1007/BF01581985
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 65
Maintien des conditions de vie à
travers le temps:
Le temps est n cessaire à l'
0
4,5 Milliard d'ann es (Ma) :
avant -3,8 -3,5 Ma : la Vie
.4 Ma : V e multi-cellulaire
- 0.6 Ma : Premiers animaux
± 0 : Intelligence
(
E ution des toiles
Conservation de l'atmosphère
Stabilit cl mati
•
•
•
•
lution. Sur Terre :
rmation de la Terre
Problème :
B
Tectoni ue des pl
Champ m
La vie...
Présence d’une Lune ?.
Echappement de l’atmosphere
D’où viennent les molécules qui ont
participé à la chimie prébiotique ?
es tr is sources…
M
%
%
Murchinson (type CM)
rites carbonées
Détection
d’ACIDES
AMINES
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 69
Où sont les planètes propices à la vie
La « zone habitable » : eau liquide possible à la
surface des pl
es
g. Kasting et al. 1993
Forget 1998
H
100% vapeur
Eau liquide possible 100% glace
Zone habitable et exoplanètes
[D’après Selsis et al. A&A 2007]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 71
Suggestion 4 types d’ « habitabilité »
(Lammer et al. Astron Astrophys Rev 2009)
• Classe I: Plan te avec de l’eau liquide
permanent en surface: comme la Terre
"
• Classe II : Plan te temporairement
temporairement propice à l’eau liquide en
surface, mais qui ont perdues cette capacité
(perte de l’atmosph e, perte de l’eau, effet de Serre divergent) :
"
#
$
Mars primitif, Vénus primitif ?
•
Classe III : Corps avec un océan sous la
surface en interaction avec un manteau
rocheux (Europe)
• Classe IV : Corps avec un océan sous la
surface entre deux couche de glace
(Ganymede, Callisto)
Plan
1
Evolution du Soleil
2
Echappement
3
Zone habitable
Que détecter ?
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 73
– Evaporation, sublimation
Titan : CH4 (liquide)
• Terre : H2O
Pluton, Triton : N2, CO, CH4 (solide)
CO2
– Activité biologique
• Terre : O2, CH4 (photosynthèse,
bactéries)
CFCs, CO2 (industrie), CH4,
N2O ? (agriculture)
CH4
Bactéries méthanogènes et origine de la vie
[Kasting Scientific American 2004]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 75
2 geological crises on a planet globally warm for 5
billions years.
Quasi-global glaciaciation:
- Huronian Glaciation
( 2.2 / 2.45 Bya)
=> Collapse of methane due to
atmospheric oxygen rise
(toxic for methanogen bacteria)
- Neoprotérozoic Glaciations (710 &
650 Ma) related to a collapse of
CO2 (« snowball Earth »)
– Split of Supercontinent (Rodinia)
– More intense water cycle and
weathering of CO2
G. Ramstein 2005
Transparent d’après G. Rammstein (CEA)
Activité biologique et composition atmosphérique
[Hamelin Pool, photo A. Spiga]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
[Kasting Scientific American 2004]
Transparent 77
Auto-portrait Curiosity hiver 2013 (“selfie”)
A. Spiga
(LMD / UPMC)
[référence
PIA16764]78
Transparent
Mysterious methane bursts
SAM measurements 2012-2014
Sources et puits de CH4
[Webster et al. Science 2015]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 79
Trouver des organiques sur Mars n’est pas simple
Rayons cosmiques + Oxydation UV en présence de Fe + Oxydations perchlorates
[NASA image PIA19091]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 80
Détection d’organiques sur Mars
Forage et analyses par SAM des poudres obtenues
[NASA image PIA19090]
A. Spiga
(LMD / UPMC)
Transparent 81
Parcours M2
« PlanEtologie »
Contact UPMC : [email protected]

séance 3 - LMD

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