La formation des atmosphères planétaires

L’une des caractéristiques les plus frappantes des planètes du système solaire est la grande diversité dans la composition de leur atmosphère, depuis les planètes gazeuses géantes dominées par l’hydrogène et l’hélium, à Vénus et Mars, dont l’atmosphère est principalement constituée de dioxyde de carbone, en passant par le méthane de Titan, et bien sûr le cas très particulier de la Terre et de son oxygène.

La capacité d’une planète ou d’un satellite à retenir une atmosphère dépend de plusieurs paramètres. Les atomes ou molécules susceptibles de former une atmosphère sont sujets à une agitation d’origine thermique. Celle-ci leur donne en quelque sorte une vitesse moyenne de déplacement qui est à comparer à la vitesse de libération de la planète, c’est-à-dire la vitesse minimale qu’un objet doit dépasser pour pouvoir échapper à l’attraction gravitationnelle (par exemple 11,2 kilomètres par seconde pour la Terre).

Trois scénarios

Comme l’atmosphère d’une planète est constituée des molécules ne pouvant pas s’échapper, on peut montrer, en comparant agitation thermique et vitesse de libération, que la composition de l’atmosphère dépend principalement de la masse du corps, de sa taille et de sa température, donc de sa distance au Soleil.

Pour le système solaire, trois cas de figure apparaissent. D’abord les corps qui n’ont pas été capables de conserver une atmosphère appréciable, généralement à cause d’une faible masse, donc d’une faible gravité. Il s’agit de Mercure, de la Lune, de Pluton, et de tous les satellites du système solaire, à l’exception notable de Titan.

Ensuite, les corps très massifs capables de retenir tous les types de gaz, en particulier l’hydrogène et l’hélium, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

Finalement, la cas le plus intéressant, celui des planètes ou satellites ayant soit une masse intermédiaire soit une très basse température : Vénus, la Terre, Mars et Titan. Ces quatre corps ont perdu l’hydrogène et l’hélium, mais ont réussi à retenir des gaz plus lourds comme le dioxyde de carbone ou la vapeur d’eau.

Les atmosphères de Vénus, Mars et de la Terre trouvent leur origine dans le même phénomène, le dégazage volcanique, par lequel les gaz emprisonnés dans les roches lors de la formation de la planète sont progressivement libérés par l’intermédiaire d’éruptions volcaniques.

Les trois principaux gaz en jeu sont la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le dioxyde de souffre (SO2). Mais bien que les trois atmosphères soient nées du même mécanisme, elles ont rapidement divergé et donné naissance à des conditions très différentes, un enfer de CO2 à une température de 460 degrés sur Vénus, une atmosphère de CO2 très ténue sur Mars, et un environnement sur Terre marqué par la présence de la vie.

L’effet de serre sur Vénus

Lorsque le rayonnement du Soleil atteint une planète comme Vénus ou la Terre, il est principalement concentré dans le domaine visible, où l’atmosphère est transparente. Son énergie atteint donc la surface de la planète sans être inquiétée.

Cette énergie est absorbée par la planète et automatiquement réémise vers l’extérieur. Mais la planète est beaucoup plus froide que le Soleil et ce nouveau rayonnement est en conséquence concentré dans le domaine infrarouge plutôt que visible. Or la vapeur d’eau ou le dioxyde de carbone ne sont pas transparents en lumière infrarouge. Ces gaz vont donc absorber l’énergie réémise par la planète et s’échauffer, c’est l’effet de serre.

Sur Vénus, ce nouveau phénomène provoqua une augmentation de température de l’atmosphère et contribua à accélérer l’évaporation des océans. Ceci amplifia encore l’effet de serre et ainsi de suite dans un cercle vicieux.

Le dioxyde de carbone de Vénus

Le coup de grâce pour Vénus se produisit lorsque les océans se furent complètement évaporés. Sans eau liquide pour dissoudre le dioxyde de carbone et de souffre, ces gaz commencèrent également à s’accumuler dans l’atmosphère et à contribuer à l’effet de serre. La température atteignit finalement un niveau tel que même le dioxyde de carbone déjà emprisonné dans les roches fut libéré et relâché dans l’atmosphère.

Le résultat de cette évolution est l’enfer que nous observons actuellement, une atmosphère dominée par le dioxyde de carbone, avec une température de 460 degrés.

La température est maintenant stable car le cercle vicieux n’est plus à l’oeuvre. Les rayons ultraviolets du Soleil ont peu à peu dissocié les molécules d’eau en leurs constituants, les atomes d’oxygène et d’hydrogène, qui se sont échappés vers le milieu interplanétaire. Comme l’effet de serre était principalement dû à la vapeur d’eau, il est dorénavant stable.

Le volcanisme peut encore rejeter de l’eau, mais celle-ci est tout de suite dissociée par les rayons ultraviolets du Soleil et ses constituants se combinent avec le dioxyde de soufre pour former des nuages d’acide sulfurique.

L’atmosphère de la Terre

La Terre, grâce à une orbite plus éloignée du Soleil, a connu une évolution très différente de Vénus.

A l’origine, l’atmosphère terrestre était probablement très semblable, constituée principalement de vapeur d’eau. Comme sur Vénus, le refroidissement de la planète après sa formation conduisit à la naissance d’océans.

Mais, grâce à une distance supérieure au Soleil, donc une température moindre, ces océans n’étaient pas menacés d’évaporation. Au contraire, avec un Soleil plus faible qu’aujourd’hui, ils étaient en danger de se solidifier en glace et de transformer la Terre en un monde gelé qui ne verrait jamais apparaître la vie.

L’effet de serre sur Terre

Heureusement pour nous, l’atmosphère contenait également du dioxyde de carbone, un composé capable de rester sous forme gazeuse à des températures plus faibles que la vapeur d’eau. Ce dioxyde de carbone, présent en quantité bien plus grande que de nos jours, conduisit à un effet de serre qui permit à la Terre de conserver une température suffisante pour que les océans demeurent sous forme liquide.

Avec le temps, la puissance du Soleil augmenta jusqu’au niveau actuel et assura une température modérée à notre planète. Parallèlement, la plus grande partie du dioxyde de carbone fut petit à petit emportée par les pluies, dissoute dans les océans et capturée dans les roches sédimentaires des fonds océaniques.

De nos jours, le dioxyde de carbone restant contribue encore à augmenter la température d’une quarantaine de degrés.

La vie a transformé l’atmosphère terrestre

L’atmosphère de la Terre a ensuite été affectée par un nouveau phénomène, l’apparition de la vie, en particulier la mise en place de la photosynthèse, le processus par lequel certaines cellules transforment le rayonnement solaire en énergie chimique en consommant du dioxyde de carbone et en émettant de l’oxygène.

L’oxygène commença à avoir un impact marqué sur l’atmosphère terrestre il y a environ deux milliards d’années. Grâce à lui, un nouveau type d’organisme put apparaître, qui s’appuyait cette fois sur la respiration, le processus grâce auquel les animaux produisent de l’énergie en consommant de l’oxygène et en rejetant du dioxyde de carbone.

Le niveau d’oxygène s’est aujourd’hui établi à environ 21 pour cent, une valeur d’équilibre entre photosynthèse et respiration.

Le reste de l’atmosphère est principalement composé d’azote (N2), lui aussi dû à la présence de la vie. Il provient de bactéries capables d’extraire l’oxygène d’un type de roches appelées nitrates, un processus qui libère de l’azote.

L’atmosphère de Mars

L’évolution passée de Mars est entourée de plus d’incertitude que celle de la Terre. Dans la théorie la plus répandue, l’atmosphère martienne serait née dans des conditions similaires, avec le dégazage de grandes quantités de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone.

Grâce à l’effet de serre engendré par ces gaz, la température aurait été suffisante pour que l’eau puisse exister sous forme liquide pendant une très longue période.

La divergence avec la Terre vient principalement du fait que Mars est un corps plus petit (un dixième de la masse terrestre). En conséquence, après sa formation, la planète rouge contenait une quantité de chaleur interne plus faible et se refroidit donc plus vite. Pour cette raison, l’activité géologique cessa assez tôt dans l’histoire de Mars.

Or, sans activité volcanique à grande échelle, la planète n’avait plus les moyens de recycler dans l’atmosphère le dioxyde de carbone emprisonné dans les roches. Le phénomène inverse, l’absorption du gaz, n’étant pas affecté, une quantité de plus en plus importante de dioxyde de carbone atmosphérique se retrouva donc petit à petit incorporée dans les roches.

La chute de température sur Mars

La conséquence directe de ce phénomène fut une baisse d’intensité de l’effet de serre, donc une chute de température. Un cercle vicieux se mit en place, le refroidissement provoquant plus de précipitations et une dissolution accélérée du dioxyde de carbone, ce qui entraînait à son tour une baisse de température plus prononcée.

L’eau ne pouvant plus exister sous forme liquide se transforma finalement en glace dans une couche appelée le permafrost située sous la surface martienne. La planète finit par présenter le visage que lui connaissons actuellement, avec une faible atmosphère principalement constituée de dioxyde de carbone et une absence totale d’eau sous forme gazeuse ou liquide.

Bien sûr, la description précédente n’est qu’une des théories que les missions spatiales actuelles ont pour but de départager. Il est également possible que la quantité de gaz créée par le dégazage soit restée faible. L’effet de serre n’aurait alors jamais été suffisant pour que de grandes étendues d’eau liquide se forment.

Une atmosphère unique : Titan

A part Vénus, la Terre, Mars et les planètes géantes, Titan est le seul corps du système solaire à posséder une atmosphère significative. Celle-ci est principalement constituée d’azote, avec également une proportion de méthane.

L’azote provient de la destruction, sous l’effet des rayons ultraviolets du Soleil, de molécules d’ammoniac (NH3), un composé abondant dans les régions externes du système solaire.

La présence de méthane est plus mystérieuse. Ce gaz devrait disparaître en une dizaine de millions d’années s’il n’était pas renouvelé en permanence. Une source de méthane à l’intérieur de la planète doit donc exister, et c’est là l’un des sujets d’étude de la mission Cassini-Huygens.

Le facteur le plus influent dans l’évolution de la planète Vénus a été un apport d’énergie élevé dû à la proximité du Soleil.

Après la phase de dégazage initiale, Vénus devait être assez semblable à notre planète. La vapeur d’eau put probablement se liquéfier et donner naissance à des océans. D’autant qu’à cette époque reculée le jeune Soleil n’émettait que 70 pour cent de l’énergie qu’il produit à l’heure actuelle.

La température devait être supérieure à 100 degrés Celsius, mais avec une pression atmosphérique supérieure à la nôtre, l’eau pouvait exister sous forme liquide. Le dioxyde de carbone devait également être présent dans l’atmosphère, mais en quantité limitée car pluies et océans pouvaient le dissoudre et l’incorporer dans les roches sédimentaires.

Mais avec le temps, le Soleil produisit de plus en plus d’énergie. Après quelques centaines de millions d’années, la température à la surface de Vénus atteignit les 374 degrés, un seuil au-dessus duquel l’eau ne pouvait plus exister sous forme liquide : les océans commencèrent à s’évaporer. Avec l’arrivée de grandes quantités de vapeur d’eau dans l’atmosphère, un nouveau phénomène allait entrer en jeu : l’effet de serre.