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17 septembre 2008 3 17 /09 /septembre /2008 15:08

Avec les connaissances actuelles sur le système solaire, il est un sujet qui revient souvent : à savoir l’origine des atmosphères des planètes.

 

Soient

- P est la pression de l’atmosphère (ou la pression partielle d’un de ces constituants).

- R est le rayon, la surface est 4piR2.

- la masse de la planète est Mp

- la masse de l’atmosphère (ou du constituant) est Ma

Alors la force de gravité (le « poids ») de l’atmosphère est F = GMpMa/R2

Et P = F/4piR2 = G MpMa/4piR4

 

Ce qui intéresse, c’est la fraction de masse de l’atmosphère (ou du constituant) par rapport à la planète : le rapport Ma/Mp = P 4 piR4/GMp2

Si la densité de la planète est D, alors Mp= D 4/3 piR3

Ma/Mp = P * 4 pi  R4/(GD2 16/9 pi2 R6) = P * 9/(4piGR2 D2)

 

9/4piG est une constante.

Donc le rapport Ma/Mp est proportionnel à P/D2R2 que l’on va appeler K (les calculs donnent un facteur E-18 que l’on omet).

 

Vénus , R = 6050 km, P = 9,32 E+6 Pa, D = 5204 kg/m2 Donc K = 8400

Terre : R = 6360 km, P = 1,01 E+5 Pa, D = 5515 kg/m2, donc K = 82

Mars : R = 3400 km, p = 800 Pa, D = 3934 kg/m2, donc K = 4

 

Une telle disparité pose question.

En effet, le scénario de formation du système solaire suppose que ces 3 planètes se sont formés par agrégation de matériaux « protosolaire ». Ces matériaux étant « proches », ils devraient être homogènes. Sans événement particulier, les rapports K devraient être identiques (ou au moins proches).

Les réponses à cette question se trouvent dans 3 directions :

-          La nébuleuse initiale n’étaient pas homogène (du fait par exemple de la distance au soleil).

-          Les atmosphères ont (au moins en grande partie) une origine différente des planètes et selon un « timing » différent. 

-          L’histoire des atmosphères les a différenciées.

 

On peut commencer par le troisième point.

En effet, lorsque l’on compte la Terre, il faudrait tenir compte de 2 choses : les océans et les masses calcaires. Ce sont 2 matériaux qui doivent toute logique être comptés avec l’atmosphère.

L’équivalent de pression de l’eau c’est 3000 m d’eau sur 2/3 de la surface soit 200 bars.

L’équivalent de pression de CO2 du calcaire c’est 44% (CO2 sur CaCO2) d’une masse de calcaire que l’on va estimer de densité 2 couvrant la moitié de la Terre sur 1 km soit 44 bars.

Pour Vénus, on suppose que l’eau (H2O) a été dissociée et évaporée (il y en avait, il y en a plus).

Pour Mars, on suppose que l’eau est là de façon gelée et souterraine. Il faut aussi tenir compte de la masse de la calotte polaire de CO2 (1/20 de  la surface, 100 m de haut, densité 0,5, gravité 3,67 m/2=> masse de 2500 * S et pression 2500/ 3,67 = 700 Pa)

 

Avec tout ceci, et en s’intéressant aux composants principaux : C02, H2O, N2 (on peut mettre de coté l’O2 de la Terre qui est spécifique). On obtient les chiffres suivants

Vénus : KCO2 = 8900 , KN2 = 420 , KH2O inconnu

Terre ; KCO2  = 3200 (incertain),  KN2 = 64, KH2O = 16000

Mars : KC02 = 8, KN2 = 0,12 , KH2O inconnu.

 

Cela améliore à peine le problème. Les disparités des valeurs restent « importantes ».

Si on laisse de coté Mars qui est assez différente pour comparer la Terre et Vénus. L’écart des « KCO2 » est tolérable surtout du fait de l’incertitude pour celui de la Terre. La valeur de Kh2o suppose « le dégazage » de l’équivalent de tous les océans terrestre sur Vénus. C’est une scénario fort ! Mais le problème des différences de valeurs des KN2 est autrement problématique. Qu’est-ce qui a bien pu arriver au N2 sur l’une ou l’autre des planètes (où est passé le diazote manquant sur Terre)?

 

Parmi les 3 directions explicatives, la deuxième indique que la constitution des atmosphères c’est fait de façon différentes selon les planètes et après l’accrétion. On peut considérer que de façon indirecte, c’est l’explication pour l’O2 de la Terre (il provient de H2O et devrait s’ajouter à KH20 mais en pratique c’est négligeable).

Cette direction est utilisée dans l’hypothèse des « comètes » évoquée parfois pour expliquer l’eau des océans. Cela ne change pas grand-chose au problème. Pourquoi la terre aurait reçu plus de comète que les autres ?

Si on considère la Terre, l’événement qui semble spécifique (au niveau astronomique) c’est « l’événement lunaire ». Il y aurait eu une collision Terre-protolune. Mais l’explication des conséquences sur l’atmosphère (terrestre) reste à faire.

A noter que l’explication de la rotation rétrograde de Vénus fait aussi appel à une collision gigantesque (selon wikipédia).

 

L’hétérogénéité dans la nébuleuse primitive n’est pas aberrante. Toutefois on suppose que le gradient de température « pousse  au loin » les corps les plus volatiles. Or, les calculs montrent plutôt une « surconcentration » de ces corps sur Vénus plutôt que sur Mars.

 

Bref, l’origine des atmosphères planétaires (pour ces 3 là) est une question ouverte.

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