On a une épaisse atmosphère empoisonnée, on n'a presque pas d'atmosphère du tout, et on est juste pour que la vie s'épanouisse – mais il n'en a pas toujours été ainsi. Les atmosphères de nos deux voisines Vénus et Mars peuvent nous en apprendre beaucoup sur les scénarios passés et futurs de notre propre planète.

Rebobinez 4,6 milliards d'années depuis nos jours jusqu'au chantier de construction planétaire, et nous voyons que toutes les planètes partagent une histoire commune :elles sont toutes nées du même nuage tourbillonnant de gaz et de poussière, avec le nouveau-né Soleil allumé au centre. Lentement mais sûrement, à l'aide de la gravité, la poussière accumulée dans les rochers, finalement faire boule de neige en entités de la taille d'une planète.

Le matériau rocheux pourrait résister à la chaleur la plus proche du Soleil, tandis que gazeux, la matière glacée ne pouvait survivre que plus loin, donnant naissance aux planètes terrestres les plus intérieures et aux géantes de gaz et de glace les plus extérieures, respectivement. Les restes ont fait des astéroïdes et des comètes.

Les atmosphères des planètes rocheuses se sont formées dans le cadre du processus de construction très énergétique, principalement par dégazage en refroidissant, avec quelques petites contributions des éruptions volcaniques et une livraison mineure d'eau, gaz et autres ingrédients par les comètes et les astéroïdes. Au fil du temps, les atmosphères ont subi une forte évolution grâce à une combinaison complexe de facteurs qui ont finalement conduit à l'état actuel, la Terre étant la seule planète connue à abriter la vie, et le seul avec de l'eau liquide à sa surface aujourd'hui.

Nous savons, grâce à des missions spatiales telles que Venus Express de l'ESA, qui a observé Vénus depuis l'orbite entre 2006 et 2014, et Mars Express, enquête sur la planète rouge depuis 2003, que l'eau liquide coulait autrefois sur nos planètes sœurs, trop. Alors que l'eau de Vénus a depuis longtemps bouilli, sur Mars, il est soit enfoui sous terre, soit enfermé dans des calottes glaciaires. L'état de l'atmosphère d'une planète est intimement lié à l'histoire de l'eau – et finalement à la grande question de savoir si la vie aurait pu naître au-delà de la Terre. Et connecté à ça, le jeu et l'échange de matière entre l'atmosphère, les océans et l'intérieur rocheux de la planète.

Recyclage planétaire

De retour sur nos planètes nouvellement formées, à partir d'une boule de roche en fusion avec un manteau entourant un noyau dense, ils ont dit de se calmer. Terre, Vénus et Mars ont toutes connu une activité de dégazage à ces débuts, qui a formé le premier jeune, atmosphères chaudes et denses. Comme ces atmosphères se sont également refroidies, les premiers océans sont tombés du ciel.

A un certain stade, bien que, les caractéristiques de l'activité géologique des trois planètes divergent. Le couvercle solide de la Terre s'est fissuré en plaques, à certains endroits plongeant sous une autre plaque dans les zones de subduction, et dans d'autres endroits, se heurtant pour créer de vastes chaînes de montagnes ou se séparant pour créer des failles géantes ou une nouvelle croûte. Les plaques tectoniques de la Terre bougent encore aujourd'hui, donnant lieu à des éruptions volcaniques ou à des tremblements de terre à leurs frontières.

Vénus, qui n'est que légèrement plus petite que la Terre, peut encore avoir une activité volcanique aujourd'hui, et sa surface semble avoir refait surface avec des laves il y a à peine un demi-milliard d'années. Aujourd'hui, il n'y a pas de système de tectonique des plaques discernable; ses volcans étaient probablement alimentés par des panaches thermiques s'élevant à travers le manteau - créés dans un processus qui peut être comparé à une "lampe à lave" mais à une échelle gigantesque.

Mars, étant beaucoup plus petit, refroidi plus vite que la Terre et Vénus, et lorsque ses volcans se sont éteints, il a perdu un moyen essentiel de reconstituer son atmosphère. Mais il possède toujours le plus grand volcan de tout le système solaire, l'Olympus Mons de 25 kilomètres de haut, probablement aussi le résultat de la construction verticale continue de la croûte à partir de panaches s'élevant d'en bas. Même s'il existe des preuves d'activité tectonique au cours des 10 derniers millions d'années, et même le tremblement de terre occasionnel à l'époque actuelle, on ne pense pas non plus que la planète ait un système tectonique semblable à la Terre.

Ce n'est pas seulement la tectonique mondiale des plaques qui rend la Terre spéciale, mais la combinaison unique avec les océans. Aujourd'hui nos océans, qui couvrent environ les deux tiers de la surface de la Terre, absorber et stocker une grande partie de la chaleur de notre planète, le transportant le long des courants autour du globe. Alors qu'une plaque tectonique est entraînée dans le manteau, il se réchauffe et libère de l'eau et des gaz piégés dans les roches, qui à leur tour s'infiltrent à travers les cheminées hydrothermales au fond de l'océan.

Des formes de vie extrêmement robustes ont été trouvées dans de tels environnements au fond des océans de la Terre, fournir des indices sur la façon dont la petite enfance a pu commencer, et donner aux scientifiques des indications sur où chercher ailleurs dans le système solaire :la lune de Jupiter Europa, ou la lune glacée Encelade de Saturne par exemple, qui cachent des océans d'eau liquide sous leurs croûtes de glace, avec des preuves provenant de missions spatiales comme Cassini suggérant qu'une activité hydrothermale peut être présente.

De plus, la tectonique des plaques permet de moduler notre atmosphère, régulariser la quantité de dioxyde de carbone sur notre planète sur de longues périodes. Lorsque le dioxyde de carbone atmosphérique se combine avec l'eau, il se forme de l'acide carbonique, qui à son tour dissout les roches. La pluie amène l'acide carbonique et le calcium dans les océans - le dioxyde de carbone est également dissous directement dans les océans - où il est recyclé dans le fond de l'océan. Pendant près de la moitié de l'histoire de la Terre, l'atmosphère contenait très peu d'oxygène. Les cynobactéries océaniques ont été les premières à utiliser l'énergie du Soleil pour convertir le dioxyde de carbone en oxygène, un tournant dans la création de l'atmosphère qui, bien plus loin, a permis à la vie complexe de s'épanouir. Sans le recyclage planétaire et la régulation entre le manteau, océans et atmosphère, La Terre a peut-être fini par ressembler davantage à Vénus.

Effet de serre extrême

Vénus est parfois appelée la jumelle maléfique de la Terre en raison de sa taille presque identique mais en proie à une atmosphère nocive épaisse et à une surface étouffante de 470 °C. Sa pression et sa température élevées sont suffisamment élevées pour faire fondre le plomb et détruire le vaisseau spatial qui ose y atterrir. Grâce à son atmosphère dense, il fait encore plus chaud que la planète Mercure, qui orbite plus près du Soleil. Son écart spectaculaire par rapport à un environnement semblable à celui de la Terre est souvent utilisé comme exemple de ce qui se passe dans un effet de serre incontrôlé.

La principale source de chaleur du système solaire est l'énergie du soleil, qui réchauffe la surface d'une planète, puis la planète renvoie de l'énergie dans l'espace. Une atmosphère emprisonne une partie de l'énergie sortante, retenir la chaleur - ce qu'on appelle l'effet de serre. C'est un phénomène naturel qui aide à réguler la température d'une planète. S'il n'y avait pas les gaz à effet de serre comme la vapeur d'eau, gaz carbonique, méthane et ozone, La température de surface de la Terre serait d'environ 30 degrés plus froide que sa moyenne actuelle de +15 °C.

Au cours des siècles passés, les humains ont altéré cet équilibre naturel sur Terre, renforcer l'effet de serre depuis l'aube de l'activité industrielle en apportant du dioxyde de carbone supplémentaire ainsi que des oxydes d'azote, sulfates et autres traces de gaz et particules de poussière et de fumée dans l'air. Les effets à long terme sur notre planète incluent le réchauffement climatique, les pluies acides et l'appauvrissement de la couche d'ozone. Les conséquences d'un réchauffement climatique sont considérables, affectant potentiellement les ressources en eau douce, production alimentaire mondiale et niveau de la mer, et le déclenchement d'une augmentation des événements météorologiques extrêmes.

Il n'y a aucune activité humaine sur Vénus, mais l'étude de son atmosphère fournit un laboratoire naturel pour mieux comprendre un effet de serre incontrôlable. A un moment de son histoire, Vénus a commencé à piéger trop de chaleur. On pensait autrefois qu'il hébergeait des océans comme la Terre, mais la chaleur ajoutée a transformé l'eau en vapeur, et à son tour, de la vapeur d'eau supplémentaire dans l'atmosphère a emprisonné de plus en plus de chaleur jusqu'à ce que des océans entiers se soient complètement évaporés. Venus Express a même montré que de la vapeur d'eau s'échappe encore de l'atmosphère de Vénus et dans l'espace aujourd'hui.

Venus Express a également découvert une mystérieuse couche de dioxyde de soufre à haute altitude dans l'atmosphère de la planète. Du dioxyde de soufre est attendu de l'émission de volcans - au cours de la durée de la mission, Venus Express a enregistré de grands changements dans la teneur en dioxyde de soufre de l'atmosphère. Cela conduit à des nuages ​​​​et des gouttelettes d'acide sulfurique à des altitudes d'environ 50 à 70 km - tout dioxyde de soufre restant devrait être détruit par un rayonnement solaire intense. Ce fut donc une surprise pour Venus Express de découvrir une couche de gaz à environ 100 km. Il a été déterminé que l'évaporation des gouttelettes d'acide sulfurique libère de l'acide sulfurique gazeux qui est ensuite brisé par la lumière du soleil, libérant le dioxyde de soufre gazeux.

L'observation ajoute à la discussion ce qui pourrait arriver si de grandes quantités de dioxyde de soufre sont injectées dans l'atmosphère terrestre - une proposition faite sur la façon d'atténuer les effets du changement climatique sur Terre. Le concept a été démontré à partir de l'éruption volcanique de 1991 du mont Pinatubo aux Philippines, lorsque le dioxyde de soufre éjecté de l'éruption a créé de petites gouttelettes d'acide sulfurique concentré - comme celles trouvées dans les nuages ​​de Vénus - à environ 20 km d'altitude. Cela a généré une couche de brume et refroidi notre planète à l'échelle mondiale d'environ 0,5 °C pendant plusieurs années. Parce que cette brume réfléchit la chaleur, il a été proposé qu'un moyen de réduire les températures mondiales serait d'injecter artificiellement de grandes quantités de dioxyde de soufre dans notre atmosphère. Cependant, les effets naturels du mont Pinatubo n'offraient qu'un effet rafraîchissant temporaire. L'étude de l'énorme couche de gouttelettes d'acide sulfurique de Vénus offre un moyen naturel d'étudier les effets à plus long terme; une brume initialement protectrice à plus haute altitude serait finalement reconvertie en acide sulfurique gazeux, qui est transparent et laisse passer tous les rayons du soleil. Sans parler des effets secondaires des pluies acides, qui sur Terre peuvent avoir des effets néfastes sur les sols, la vie végétale et l'eau.

Congélation globale

Notre autre voisin, Mars, se situe à un autre extrême :bien que son atmosphère soit également majoritairement en dioxyde de carbone, aujourd'hui il n'y en a presque plus, avec un volume atmosphérique total inférieur à 1% de celui de la Terre.

L'atmosphère actuelle de Mars est si mince que bien que le dioxyde de carbone se condense en nuages, il ne peut pas retenir suffisamment d'énergie du Soleil pour maintenir l'eau de surface - il se vaporise instantanément à la surface. Mais avec sa basse pression et ses températures relativement douces de -55ºC (allant de -133ºC au pôle hiver à +27ºC en été), les engins spatiaux ne fondent pas à sa surface, nous permettant un meilleur accès pour découvrir ses secrets. Par ailleurs, grâce au manque de recyclage de la tectonique des plaques sur la planète, des roches vieilles de quatre milliards d'années sont directement accessibles à nos atterrisseurs et rovers explorant sa surface. Pendant ce temps nos orbiteurs, dont Mars Express, qui arpente la planète depuis plus de 15 ans, trouvent constamment des preuves de ses eaux autrefois coulantes, océans et lacs, donnant un espoir alléchant qu'il aurait pu autrefois soutenir la vie.

La planète rouge aussi aurait commencé avec une atmosphère plus épaisse grâce à la livraison de volatils des astéroïdes et des comètes, et le dégazage volcanique de la planète alors que son intérieur rocheux se refroidissait. Il ne pouvait tout simplement pas s'accrocher à son atmosphère, probablement à cause de sa masse plus petite et de sa gravité plus faible. En outre, sa température initiale plus élevée aurait donné plus d'énergie aux molécules de gaz dans l'atmosphère, leur permettant de s'échapper plus facilement. Et, ayant également perdu son champ magnétique global au début de son histoire, l'atmosphère restante a ensuite été exposée au vent solaire - un flux continu de particules chargées du Soleil - qui, comme sur Vénus, continue de dépouiller l'atmosphère encore aujourd'hui.

Avec une atmosphère diminuée, l'eau de surface s'est déplacée sous terre, libérées sous forme de vastes crues éclair uniquement lorsque les impacts ont chauffé le sol et libéré l'eau souterraine et la glace. Il est également enfermé dans les calottes polaires. Mars Express a également récemment détecté une flaque d'eau liquide enfouie à moins de deux kilomètres de la surface. Des preuves de vie pourraient-elles aussi être souterraines ? Cette question est au cœur du rover européen ExoMars, devrait être lancé en 2020 et atterrir en 2021 pour forer jusqu'à deux mètres sous la surface afin de récupérer et d'analyser des échantillons à la recherche de biomarqueurs.

On pense que Mars sort actuellement d'une ère glaciaire. Comme la Terre, Mars est sensible aux changements de facteurs tels que l'inclinaison de son axe de rotation lorsqu'elle orbite autour du Soleil; on pense que la stabilité de l'eau à la surface a varié sur des milliers à des millions d'années, à mesure que l'inclinaison axiale de la planète et sa distance au Soleil subissent des changements cycliques. L'orbiteur de gaz trace ExoMars, étudie actuellement la planète rouge depuis l'orbite, récemment détecté du matériel hydraté dans les régions équatoriales qui pourraient représenter d'anciens emplacements des pôles de la planète dans le passé.

La mission principale du Trace Gas Orbiter est de réaliser un inventaire précis de l'atmosphère de la planète, en particulier les gaz traces qui représentent moins de 1% du volume total de l'atmosphère de la planète. Le méthane est particulièrement intéressant, qui sur Terre est produit en grande partie par l'activité biologique, et aussi par des processus naturels et géologiques. Des indices de méthane ont déjà été rapportés par Mars Express, et plus tard par le rover Curiosity de la NASA à la surface de la planète, mais les instruments très sensibles du Trace Gas Orbiter ont jusqu'à présent signalé une absence générale de gaz, approfondissant le mystère. Afin de corroborer les différents résultats, les scientifiques n'étudient pas seulement comment le méthane pourrait être créé, mais aussi comment il pourrait être détruit près de la surface. Toutes les formes de vie ne génèrent pas de méthane, cependant, et le rover avec sa foreuse souterraine pourra, espérons-le, nous en dire plus. L'exploration continue de la planète rouge nous aidera certainement à comprendre comment et pourquoi le potentiel d'habitabilité de Mars a changé au fil du temps.

Explorer plus loin

Bien qu'ayant commencé avec les mêmes ingrédients, Les voisins de la Terre ont subi des catastrophes climatiques dévastatrices et n'ont pas pu conserver longtemps leur eau. Vénus est devenue trop chaude et Mars trop froide; seule la Terre est devenue la planète « Boucle d'or » avec les bonnes conditions. Avons-nous failli ressembler à Mars lors d'une période glaciaire précédente ? À quelle distance sommes-nous de l'effet de serre incontrôlable qui afflige Vénus ? Comprendre l'évolution de ces planètes et le rôle de leurs atmosphères est extrêmement important pour comprendre les changements climatiques sur notre propre planète car en fin de compte, les mêmes lois de la physique régissent tout. Les données renvoyées par notre vaisseau spatial en orbite rappellent naturellement que la stabilité climatique n'est pas quelque chose à prendre pour acquis.

Dans tous les cas, à très long terme – des milliards d'années dans le futur – une Terre à effet de serre est une issue inévitable aux mains du Soleil vieillissant. Notre étoile autrefois vivifiante finira par gonfler et s'illuminer, injecter suffisamment de chaleur dans le système délicat de la Terre pour faire bouillir nos océans, l'envoyant sur le même chemin que son jumeau maléfique.