Venus, Terre et Mars ... des destins très différents

Venus, la Terre et Mars sont trois planètes telluriques de notre système solaire qui se sont formées il y a 4,56 milliards d'années à proximité du Soleil. On estime que leur formation a duré quelques millions d'années (de 10 à 100 Ma). Elles ont toutes situées en deçà de la ligne des glaces qui marque la frontière séparant la composante gazeuse des molécules protosolaires  associées à C, N et O de leur composante solide (au delà de la limite). Cette limite est définie par la température de condensation de l'eau et donc par une certaine distance au Soleil (environ 3 U.A.) ; elle marque la séparation entre deux types distincts de planètes : les planètes telluriques et les géantes gazeuses.

 Doc 1 : les 4 planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre et Mars)

Venus, la Terre et Mars avaient à l'origine une composition chimique voisine. En effet, au moment de la formation du système solaire, les seules entités chimiques existant à l'état solide à cette en deçà de la ligne des glaces étaient les éléments lourds comme les métaux et les silicates. Etant relativement peu abondants (voir le diagramme d'abondance), la quantité de matière solide disponible fut limitée et seul un nombre restreint de planètes telluriques s'est formé par accrétion des particules solides du disque protosolaire. Au delà de la ligne des glaces, la quantité de matière solide disponible était plus importante grâce à la contribution des glaces (méthane CH₄, ammoniac NH₃, neige carbonique CO₂, glace d'eau H₂O, etc.) ; il s'est donc formé des planètes plus massives avec de gros noyaux. Ces planètes étaient si massives qu'elles ont provoqué un effondrement du gaz protosolaire environnant formant une subnébuleuse dans laquelle se formèrent par accrétion des satellites et des systèmes d'anneaux. Les planètes telluriques beaucoup plus petites n'ont pas connue cette phase et ne possèdent que peu de satellites et pas d'anneaux.

Doc. 2 : Formation du système solaire selon l'hypothèse de l'accrétion progressive (D'après Claude Allègre 1985)   1. Le système solaire s'est formé à parir d'un nuage de gaz et de poussière qui s'est effondré  en un temps très court sous l'effet de son propre poids formant un disque en rotation dont va naître le Soleil : le disque protosolaire constitué de gaz et de poussières.  L'eau y figurait parmi les constituants les plus abondants. 2. Coalescence des grains de matière et formation de billes et d'agrégats (taille de 1 cm à 1 m). 3. et 4. La taille des planétésimaux (de 1 m à quelques km) augmente suite aux collisions répétées. Chaque corps décrit une orbite propre. Les planètes vont se former à partir du stock de planétésimaux. 5. Les planètes se concentrent dans le plan de l'écliptique. La ligne des glaces se situe actuellement entre les orbites de Mars et de Jupiter.

Dès la phase d'accrétion terminée, les planètes telluriques connurent une période d'intense bombardement de météorites. Ce bombardement dura plus d'un milliard d'années. Il permit aux planètes telluriques d'acquérir une partie de leur atmosphère ; l'autre partie provenant du dégazage interne de la planète (notamment par volcanisme). Les géantes gazeuses possède une atmosphère qui provient de la nébuleuse protosolaire.

L'atmosphère primitive de Vénus, de la Terre et de Mars contenait principalement du dioxyde de carbone CO₂, de la vapeur d'eau et du diazote N₂.  On a mis en évidence a présence de grandes réserves d'eau sur Mars et Vénus grâce notamment en mesurant le rapport Deutérium/Hydrogène à partir de l'eau lourde HDO et de l'eau H₂O. Dans les océans et dans l’atmosphère terrestre, le rapport HDO/H₂O vaut environ 1,5.10^-4. cette valeur est constante depuis la formation de la Terre. Elle caractérise l'ensemble des planètes telluriques à l'origine. En mesurant l'abondance d'eau lourde HDO sur Vénus et sur mars, on remarque que le rapport (HDO/H₂O)_Vénus est environ 100 fois plus élevé que le rapport (HDO/H₂O)T_erre et que le rapport (HDO/H₂O)_Mars est environ 6 fois plus élevé que le rapport (HDO/H₂O)_Terre. Cet enrichissement en deutérium des atmosphères de Mars et Vénus s'explique par le fait que la vapeur d'eau s'est dissociée en haute atmosphère sous l'effet du rayonnement U.V ; ce qui a permis à l'hydrogène d'échapper au champ gravitationnel de la planète alors que les atomes de deutérium (2 fois plus lourds) s'échappaient moins facilement. 

Comment expliquer les conditions physiques actuelles ?

• Venus

Située à 0,7 U.A. du Soleil, Venus ne contenait à l'origine que de l'eau sous forme de vapeur car sa température moyenne était de l'ordre de 30°C. L'eau y était très abondante peut-être aussi abondante que le dioxyde de carbone.

Aujourd'hui, c'est une planète hostile dont température moyenne de surface est de presque 470 °C, alors qu'en théorie elle devrait être beaucoup plus basse ! Elle est recouverte d'épais nuages constitués d'acide sulfurique et son atmosphère ne contient qu'une infime quantité de vapeur d'eau (30 ppm pour sa basse atmosphère !). Comment expliquer un tel changement ?

Sur Venus, le dioxyde de carbone et l'eau ont provoqué un effet de serre galopant ce qui a considérablement accru sa température de surface pour attendre près de 470°C. La vapeur d'eau atmosphérique s'est sans doute photodissociée en haute atmosphère comme en témoigne l'enrichissement en deutérium. L'hydrogène se serait alors échappé dans l’espace et l'oxygène se serait combiné aux roches de la surface.

• Mars

Située à 1,52 U.A du Soleil, Mars contenait à l'origine vraisemblablement de l'eau liquide et était plus chaude qu'aujourd'hui. Mars aurait même présenté un océan dont on a retrouvé les traces (page en préparation). Son atmosphère était moins ténue qu'actuellement mais toutefois moins dense que celle de Vénus et de la Terre. En effet, il s'agit d'une planète moins massive présentant un champ de gravitation plus faible ; elle n'a donc pas pu attirer autant de météorites que ses voisines. 

Aujourd'hui, la plupart de son atmosphère semble s'être échappée (elle est constituée de moins de 0,04 % de vapeur d'eau) et l'eau liquide ne peut exister à sa surface. On peut le comprendre en analysant le diagramme de phase de l'eau.

Doc.3 : Diagramme de phases de l'eau

Il ne reste que de la glace confinée dans le sous-sol (dans la calotte permanente sous une couche de neige carbonique et dans le pergélisol). Comment expliquer un tel changement ?

Sur Mars, plus petite et plus éloignée du Soleil, l'effet de serre était à l'origine plus modéré que sur Terre ou sur Vénus. Dans ses premières centaines de millions d’années, Mars possédait un champ magnétique important comme l'atteste le champs magnétique rémanant découvert dans les terrains de anciens de l’hémisphère sud de la planète par le magnétomètre de la sonde Mars Global Surveyor. Mars aurait développé alors une énergie interne supérieure à celle d’aujourd’hui. L'activité volcanique en aurait été augmentée, accélérant la formation d’une atmosphère par dégazage. Il semble que cette activité interne se soit poursuivie pendant plus d’un milliard d’années pour s'éteindre, sans doute en raison de la faible masse de la planète. Le dégazage interne de l'atmosphère a rapidement cessé faute d'énergie interne et la température a rapidement diminué entraînant la formation de glace et ralentissant encore l'effet de serre. La pression atmosphérique était alors de quelques centaines de mbar. Cette glace s'est retrouvée piégée sous la surface en particulier sous la calotte permanente. Elle se sublime lors de la saison chaude, libérant de la vapeur d'eau qui se condensera lors de la saison froide (cycle saisonnier).

• La Terre

L'atmosphère de la Terre primitive était sans doute comparable à celle de Vénus. Pourtant Vénus est devenu une planète très hostile alors que la Terre a vu éclore la Vie. Comment expliquer de telles différences ?

La Terre est plus éloignée du Soleil que Vénus. C'est ce qui a permis à la vapeur d'eau de l'atmosphère de passer à l'état liquide et de former des océans dans lesquels le dioxyde de carbone atmosphérique a pu se dissoudre sous forme de carbonates. La quantité de CO₂ dans l'atmosphère n'est aujourd'hui que de 0,3 % environ. Sans une proportion importante de CO₂ et de vapeur d'eau, l'effet de serre est resté modéré sur Terre. Un mécanisme d'autorégulation (température/quantité de CO₂) s'est mis en place, limitant les variations de la température moyenne de surface de la Terre. La Lune a également joué un rôle important dans cette régulation, en limitant les variations de son obliquité (ce qui n'est pas le cas de Mars dont l'obliquité peut varier de 0° à 60° faute de satellite suffisamment massif ce qui a entraîné des variations climatiques considérables). Cela a pu garantir à la Terre une température relativement stable (même si ont peut observer des variations de quelques degrés). Cette stabilité est certainement liée à l'apparition de la Vie (qui explique le fort taux de dioxygène dans l'atmosphère aujourd'hui).

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