Eșapament atmosferic

Evacuare a aerului este pierderea de gaz de aer la nivel mondial spre spațiul cosmic . Acest proces a schimbat în mod decisiv compoziția atmosferei mai multor corpuri ale sistemului solar  : dispariția majorității atmosferei marțiene face planeta un deșert și lume sterilă, evacuarea hidrogenului din . Atmosferei terestre de viață care să permită să apară, dispariția apei vapori din atmosfera lui Venus contribuind la efectul de seră care caracterizează această planetă. Este posibil ca mai multe mecanisme să contribuie la evadarea atmosferică. Impactul lor este influențat în principal de masa planetei și de prezența unui câmp magnetic. Două misiuni spațiale -  MAVEN , lansate de NASA în 2013 și ExoMars Trace Gas Orbiter ale Agenției Spațiale Europene (lansare planificată pentru 2018) - sunt dedicate studiului in situ al evadării din atmosfera lui Marte.

Mecanisme de evacuare termică

Unul dintre mecanismele clasice de evacuare termică este evacuarea Jeans. Într-o cantitate de gaz , viteza medie a unei molecule este determinată de temperatură , dar viteza moleculelor individuale variază continuu pe măsură ce se ciocnesc între ele, prin achiziționarea sau pierderea energiei cinetice .

În cazul lui Marte, datele disponibile au făcut posibilă identificarea mai multor mecanisme care ar fi putut duce la evadarea atmosferică a atmosferei planetei în spațiul interplanetar. Radiațiile ultraviolete și vântul solar transformă atomii și moleculele din atmosfera superioară marțiană, care inițial erau neutre din punct de vedere electric, în particule încărcate (ioni). Câmpul electric generat de vântul solar poate acționa apoi asupra lor și le poate scoate în spațiu. Vântul solar poate încălzi, de asemenea, molecule din atmosfera superioară, care apoi scapă de gravitația marțiană. Dar erupțiile vulcanice au avut loc ulterior și ar fi trebuit să reconstituie atmosfera. Dispariția sa poate fi rezultatul unei combinații a mai multor dintre aceste mecanisme. Mecanismele de evacuare la locul de muncă pot fi grupate în două categorii: evacuare termică și evacuare non-termică.

Eșapament termic

Evadarea termică este un fenomen care are loc la altitudine foarte mare, deasupra exobazei, în exosferă (la o altitudine mai mare de două sute de kilometri - pe Marte), o regiune a atmosferei în care particulele nu suferă practic mai multe coliziuni, din cauza la densitatea redusă a atmosferei reziduale. Rezultă din agitarea normală a particulelor unui gaz în echilibru termodinamic.

Blugii se epuizează

Unul dintre mecanismele clasice de evacuare termică este evacuarea Jeans. Într-o cantitate de gaz , viteza particulelor care ajung deasupra exobazei ca urmare a coliziunilor este distribuită aleatoriu. Cei care sunt înzestrați cu o mare energie cinetică cu o viteză mai mare decât viteza de evacuare și un vector de viteză îndreptat în sus scapă de atracție. Rezervorul de particule de acest tip este completat continuu de particule din straturile atmosferice inferioare. Ieșirea Jeans are un rol semnificativ doar pentru cele mai ușoare particule ( H , H 2 , D ). Viteza de eliberare a planetei (legată de masa acesteia) determină impactul eșapamentului Jeans asupra atmosferei. În cazul planetelor gigant gazoase, acest impact este zero, în timp ce pe Marte este semnificativ.

În cazul lui Marte, este a priori mecanismul care explică pierderea majorității hidrogenului neutru (neionizat). În măsura în care acest hidrogen provine din apă, studiul evadării hidrogenului fuzionează cu studiul dispariției apei pe Marte.

Eșapamentul hidrodinamic

Această evadare este un caz limită al evadării Jeans în care expulzarea hidrogenului în spațiul interplanetar duce la cea a speciilor mai grele. Nu joacă un rol important până la începutul istoriei planetei, când atmosfera timpurie era bogată în hidrogen.

Eșapamente non-termice

Evadare chimică

Anumite reacții chimice exoterme care au loc în atmosferă produc exces de energie cinetică transmisă atomilor. Când aceste reacții apar în apropierea exobazei într-o regiune în care densitatea este suficientă pentru a se produce coliziuni, dar unde este suficient de scăzută încât energia dobândită de particule să nu fie disipată în coliziuni ulterioare ( termalizare ), unii dintre atomii expulzați spre exosferă au dobândit suficientă energie și, prin urmare, viteză pentru a scăpa în spațiul interplanetar.

Evadare ionică

Acest tip de evacuare se referă la particule ionizate (atomi sau molecule) . Acestea provin din două regiuni ale atmosferei marțiene: exosfera și ionosfera inferioară sub exobază. În exosferă ionii sunt produși din atomi sau molecule neutre din punct de vedere electric. Ele sunt apoi accelerate de vântul solar și dobândesc suficientă viteză pentru a scăpa de atracția lui Marte. Acest proces se referă în principal la ionii H + și O + . La rândul lor, ionii produși în ionosfera inferioară marțiană ajung la exobază prin difuzie și sunt apoi accelerați de vântul solar și pentru unii dintre ei expulzați în mediul interplanetar. Particulele în cauză sunt în principal O 2+ , CO 2+ și O + .

Screening

Nu toți ionii accelerați scapă de atmosfera lui Marte, dar unii dintre ei au o traiectorie care tangentează atmosfera și, în cele din urmă, se ciocnește cu alte particule. Acestea fac să se spargă moleculele și apoi să-și transfere energia în atomi (C, N, O, Ar ...) care, în unele cazuri, dobândesc viteză suficientă pentru a scăpa de atracția marțiană.

Rolul meteoriților

În cazul lui Marte, solul a păstrat urmele de impact ale asteroizilor uriași care au creat aproape douăzeci de cratere de peste o mie de kilometri în diametru. Unda de șoc asociată cu aceste impacturi ar fi putut, de asemenea, să conducă o mare parte din atmosfera marțiană. Acest mecanism ar fi putut juca un rol important în timpul lui Noachian, când toate planetele interne au fost supuse unui bombardament intensiv de meteoriți ( mare bombardament târziu ). Acest fenomen ar putea fi la originea dispariției unei mari părți din CO 2 Din martie.

Procese dominante de evacuare atmosferică pe Pământ

Pământul este prea mare pentru a-și pierde o proporție semnificativă din atmosferă prin evacuarea Jeans. Rata actuală de pierdere este de aproximativ trei kilograme (3  kg ) de hidrogen și cincizeci de grame (50  g ) de heliu pe secundă. Exosferei este regiunea de mare altitudine , unde densitatea atmosferica este destul de mici , care pot să apară Blugi de evacuare. Calculele evacuării blugilor efectuate cu o temperatură exosferică de 1.800  K arată că scăderea ionilor O + cu un factor de e (2.718 ...) ar dura aproape un miliard de ani. Temperatura de 1800  K este mai mare decât temperatura observată efectivă a exosferei; la temperatura medie reală a exosferei, scăderea ionilor O + cu un factor standard de e nu ar avea loc chiar și în mai mult de o mie de miliarde de ani. În plus, cea mai mare parte a oxigenului de pe Pământ este legat în molecule de O 2 , care sunt prea masive pentru a scăpa de Pământ prin evacuarea Jeans.

Câmpul magnetic al Pământului îl protejează de vântul solar și împiedică evadarea ionilor, cu excepția apropierii polilor magnetici unde fluxul de particule încărcate părăsește Pământul de-a lungul liniilor câmpului magnetic. Acest flux este cel mai important și, numărând toate procesele importante de evacuare, constatăm că câmpul magnetic nu protejează o planetă de evacuare atmosferică. Tragerea gravitațională a Pământului împiedică alte procese de pierdere non-termică să erodeze semnificativ atmosfera.

Cu toate acestea, atmosfera Pământului este cu aproape două ordine de mărime mai puțin dense decât cea a lui Venus la suprafață. Acest lucru se datorează regimului de temperatură al suprafeței terestre, H 2 Oși CO 2sunt sechestrate (respectiv) în hidrosferă și litosferă . Presiunea parțială a vaporilor de apă este limitată de echilibrul cu apa lichidă din oceane, scăzând considerabil densitatea atmosferică potențială. Cu ciclul apei pe suprafața Pământului, CO 2 este retras continuu din atmosferă și izolat în roci sedimentare.

Unele evaluări indică faptul că aproape tot carbonul de pe Pământ este conținut în roci sedimentare , partea atmosferică a CO 2fiind aproximativ 1 / 250.000 mii de CO 2total prezent pe Pământ. Dacă aceste două rezervoare ar fi eliberate în atmosferă, ar fi chiar mai dens decât atmosfera lui Venus. Prin urmare, mecanismul dominant al „pierderii” atmosferei Pământului nu este evadarea în spațiu, ci sechestrarea.

Note și referințe

  1. "  Procesul de evacuare atmosferică  " , Institutul de Cercetări în Astrofizică și Planetologie (accesat la 17 noiembrie 2013 )
  2. (în) "  Misiunea MAVEN pentru a investiga cum soarele fură atmosfera marțiană  " , NASA,10 mai 2010
  3. Prezentarea către presă a misiunii , p.  9
  4. Chauffray 2007 , p.  31
  5. Chauffray 2007 , p.  31-32
  6. Chauffray 2007 , p.  32
  7. Chauffray 2007 , p.  33
  8. (ro) David C. Catling și Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak , Scientific American , mai 2009, p. 26 (accesat la 25 iulie 2012).
  9. (în) Comitetul pentru studii spațiale, divizia de inginerie și științe fizice este „  Atmosferele lui Marte și Venus  ” , National Academies Press,15 ianuarie 1961.
  10. H. Gunell , R. Maggiolo , H. Nilsson , G. Stenberg Wieser , R. Slapak , J. Lindkvist , M. Hamrin și J. De Keyser , „  De ce un câmp magnetic intrinsec nu protejează planeta împotriva evadare atmosferice  “ , Astronomie și astrofizică , vol.  614,2018, p.  L3 ( DOI  10.1051 / 0004-6361 / 201832934 , Bibcode  2018A & A ... 614L ... 3G )

Surse

  • [Prezentarea misiunii MAVEN la MEPAG] (ro) Bruce Jakosky , Joseph Grebowsky și David Mitchell , The Atmosphere Mars and Volatile EvolutioN (MAVEN) Mission: Presentation to the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) , NASA,28 februarie 2012, 63  p. ( citește online )Document utilizat pentru scrierea articoluluiDocument care prezintă misiunea în cadrul congresului științific MEPAG (februarie 2012)
  • [Prezentare de presă a misiunii] (ro) NASA, Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Trusă de presă: Explorarea istoriei climatice a lui Marte , NASA,noiembrie 2013, 40  p. ( citește online )Document utilizat pentru scrierea articoluluiDocument oficial al NASA care prezintă misiunea MAVEN întocmit pentru lansare
  • Jean-Yves Chaufray , Study of the exosphere of Mars and the escape of water: Modeling and analysis of UV data from SPIcam (thesis) , Université Pierre et Marie Curie Paris VI,24 septembrie 2007, 254  p. ( citește online )Document utilizat pentru scrierea articolului

Vezi și tu

Articole similare

Link extern