Evasion photochimique et évolution de l'atmosphère martienne

par Jinjin Zhao

Projet de thèse en Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Sous la direction de Eric Chassefière, Feng Tian et de Jean-Yves Chaufray.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec Tsinghua University , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec GEOPS - Géosciences Paris Sud (laboratoire) , Géomorphologie planétaire et interactions subsurface-atmosphère (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 27-09-2016 .


  • Résumé

    Mars aujourd'hui est froide et sèche et ne possède qu'une atmosphère très mince, d'environ 6 mbar en moyenne. Cependant, de multiples indices géologiques suggèrent que l'ancienne Mars était riche en eau liquide et avait, par conséquent, une atmosphère dense durant le Noachian (il y a 3,8 à 4,1 milliards d'années). Reconstruire, l'évolution de l'atmosphère martienne est donc crucial pour comprendre ce qui a conduit à la disparition quasi-totale de l'atmosphère martienne. L'échappement induit par des réactions photochimiques dans la haute atmosphère martienne fait partie des processus non thermiques les plus efficaces pour induire l'échappement de l'oxygène actuellement. Aussi, étudier l'échappement photochimique au cours de l'histoire martienne et le fractionnement isotopique associé pourrait donc nous permettre de mieux contraindre l'évolution possible de l'atmosphère martienne. Deux modèles Monte-Carlo 1-D et 3-D ont été développés pour étudier la perte en CO2 et de H2O atmosphérique au cours de l'histoire martienne, induits par la recombinaison dissociative (DR) pour différentes intensités de l'activité XUV solaire: 1, 3, 10 et 20 fois le flux solaire actuel. De plus, un modèle Monte-Carlo 3-D a été développé pour étudier le fractionnement isotopique du carbone et de l'oxygène induit par les réactions de recombinaison dissociative (DR) et de photodissociation (PD). Plusieurs missions planétaires ont mesuré les rapports 13C/12C et 18O/16O dans l'atmosphère martienne. D'autre part, les météorites martiennes ont permis d'estimer ces compositions isotopiques pour des âges anciens. A partir de cette connaissance et du modèle d'évolution de ces rapports au cours de l'histoire martienne, il nous a donc été possible de proposer une estimation de l'âge de l'atmosphère. Les principaux résultats de cette thèse sont: 1) le mécanisme d'échappement photochimique contribue modestement à l'évolution passée de l'atmosphère martienne 2) le réservoir actuel en CO2 dans la surface martienne doit être autour de 90-142 mbar au total, 3) l'âge plus probable de atmosphère martien est d'au moins 2,7 milliards d'années.

  • Titre traduit

    Photochemical escape and the Evolution of Martian Atmosphere


  • Résumé

    Mars is at present cold and dry with a very thin atmosphere of ~ 6 mbar on average. However, multiple geological clues suggest that Mars was rich in liquid water and therefore had a dense atmosphere during Noachian (3.8 - 4.1 billion years ago). To reconstruct the possible causes of Mars evolution is then crucial to reconstruct what makes sustainable an atmosphere along the geological time scale. At present, photochemical escape appears to be one of the most important channels of atomic oxygen escape and might have been also one of the processes at the origin of Mars atmospheric evolution along with its past history. During my Ph.D., I developed 1-D and 3-D Monte-Carlo models to investigate the loss of CO2 and H2O induced by the dissociative recombination (DR) of the main ionospheric ions by considering solar XUV fluxes from 1, 3, 10 to 20 times today fluxes. The 3-D Monte-Carlo Model was also developed to estimate the carbon and oxygen isotopic fractionation induced by photochemical escape, including dissociative recombination reactions (DR) and photodissociation (PD) reactions. Indeed, several planetary missions measured the 13C/12C and 18O/16O in Mars present atmosphere. Moreover, the same isotopic ratios measured in the Martian meteorites provided us an estimate of their possible values for early Mars. Our analysis allows us to estimate Mars' atmospheric age by reconstructing the possible evolution of the 13C/12C ratio in Mars' atmosphere. We conclude that: 1) photochemical escape mechanism remains a modest source of atmospheric CO2 and H2O loss; 2) that the most probable size of today CO2 reservoir is between 90-142 mbar in total; 3) the most probable age of Mars' present atmosphere is of at least 2.7 billion years.