Serait il possible de créer une atmosphère à Mars?

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Depuis peu de temps, je m'interesse beaucoup à la terraformation de Mars (merci les TPE ), et je souhaiterais tout simplement vous faire part de mes "travaux" (qui ne sont en rien révolutionnaires, mais qui je pense expliquent de façon simples des recherches bien plus compliquées).

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La première étape du terraforming de mars sera la création d’une atmosphère tangible laissant une chance à la vie d’exister et de se développer. Etant donné que la pression et la température sont interdépendantes, cette première phase consistera aussi bien en l’augmentation de la pression atmosphérique qu’en le réchauffement de la planète. Nous savons que le CO2, de par sa présence importante sur Mars et ses propriétés, jouera un rôle clé dans cette étape.
Nous analyserons d’abord le climat martien, ainsi que les relations qui existent entre les différents réservoirs de CO2 de la planète, afin de quantifier les changements à apporter. Puis, nous nous interesserons aux différents procédés techniques envisagés pour le terraforming de la Planète rouge.

L’inventaire planétaire de Mars en CO2 est très important. Il existe 3 réservoirs de CO2 sur la planète : l’atmosphère, la calotte du pôle sud, et les couches supérieures du sol martien, surtout dans les hautes latitudes.

-Comme nous avons pu le voir, l’atmosphère martienne contient du CO2, mais elle est extrêmement mince, et sa pression est ridiculement faible.
-Les calottes polaires martiennes renferment du CO2 en quantité suffisante pour obtenir une pression atmosphérique comprise entre 50 et 100 mB en cas de fonte.
-Le CO2 est également contenu en très grande quantité dans le sol, plus précisément dans le régolite de Mars ( la couche de sédiments et de roches brisées d’origine météoritique recouvrant les planètes telluriques) surtout aux hautes latitudes ; la libération de ce CO2 permettrait théoriquement, en plus de celle du CO2 polaire, d’atteindre une pression atmosphérique finale comprise entre 500 et 1000 mB.

Nous apercevons donc ici le premier obstacle potentiel : la quantité de CO2 présente sur Mars,qui n’est actuellement pas connue avec précision, et qui est estimée comme suffisante pour donner à la planète une atmosphère de d’une pression comprise entre 500 et 1000 mB en cas de libération totale. Pour la suite de l’étude, appelons la Ma. Ce paramètre devra être vérifié sur place.

Du fait du cycle saisonnier et de la forte instabilité orbitale de Mars, la température de surface de Mars varie au cours de l’année ; on pourrait penser qu’une hausse de température liée à un rapprochement par rapport au soleil ferait fondre une partie de la calotte polaire, libérant ainsi du dioxyde de carbone qui créerait un effet de serre et donc une nouvelle augmentation de température (et inversement quand la planète s’éloigne du soleil), mais il n’en est rien. En effet, les conditions de pression et de température de Mars sont stables sur une base annuelle et seul une augmentation significative de la température pourrait briser cet équilibre.


Etant donné qu’il n’y a pas d’océans sur Mars, le climat fonctionne de façon beaucoup plus simple que sur Terre.
Les diverses températures de Mars, ainsi que leurs relations avec la pression atmosphérique, sont connues avec précision, et données par les équations suivantes :

Tmoy = S^0.25xTBB + 20(1+S)P^0.5 (Eq.1)

Tmoy étant la température moyenne de la planète en kelvins, P la pression en bar, S la constante solaire (actuellement, elle est de 1), et Tbb la température de corps noir de Mars (213,5K) ; on a ici S=1, donc S^0,25=1, ce qui présentement ne change rien au résultat ; mais l’énergie solaire supplémentaire reçue en cas de variation de cette constante,exprimée par la racine quatrième de cette constante, multiplierait Tbb, la température de corps noir actuelle de Mars; on peut ainsi calculer directement la température moyenne en cas d’élévation artificielle de la constante solaire.
La température polaire est donnée par:
Tpole = Tmoy - T/(1 + 5P) (Eq. 2)
Tpole étant la température aux pôles, et T la valeur qu’aurait la différence entre la température moyenne et la température polaire en l’absence d’une atmosphère (75K, pour S=1).
Maintenant voici la température maximale, le multiplicateur 1.1 ayant été déterminé approximativement suite à des études climatiques :
Tmax = Tequateur = 1.1Tmoy (Eq. 3)
Et voici la température en fonction de la latitude :
T() = Tmax - (Tmax-Tpole)sin^1.5 (Eq.4)
étant la latitude, nord ou sud, en degrés.
Quand la température polaire s’élève, une partie du CO2 stocké sous forme solide se sublime et passe dans l’atmosphère, augmentant ainsi légèrement la pression ; la relation entre l’atmosphère et les réservoirs de CO2 de la calotte polaire est donnée par l’équation suivante :
P = 1.23 x 10^7{exp(-3168/Tpole)} (Eq. 5)
Voici maintenant l’équilibre entre pression et température polaire, donnée par (EQ.1), (Eq.2) et (Eq.5):

(voir pièce jointe "image 1"

Graphique (1) : une augmentation de 5K de la température polaire suffirait à ce que l’équilibre entre température et pression soit rompu; un effet de serre galopant se créerait, et la calotte du pôle sud s’évaporeraient rapidement.
La courbe « temp of pole », (appelons la C1), en bleu, représente la température polaire Tpole en fonction de la pression P ; elle a été calculée avec (Eq.1) et (Eq.2).
La courbe « vapor pressure », (appelons là C2) en gris, représente la pression atmosphérique P en fonction de la température polaire Tpole ; elle a été calculée avec (Eq.5).
Il existe sur le graphique (1) deux points d’équilibres, nommés A et B. Aujourd’hui, Mars est au point A, avec une pression de 6mB et une température polaire de 147K. Le point B représente les conditions de Mars si le CO2 du pôle sud venait à se libérer entièrement.
On peut voit qu’en A, la température T(A) engendrée par la pression P(A) est égale à la température T(A)’ engendrant la pression P(A). Alors que sur ] 0,6 ; 6], pour une température T1, la pression P1 capable d’engendrer réellement cette température polaire (abscisse du point de C1 d’ordonnée T1) est plus faible que la pression réelle P1’ engendrée par cette température (abscisse du point de C2 d’ordonnée T2) : ceci provient du fait que la baisse de la température polaire provient de conditions saisonnières(aphélie) qui prennent le pas sur la pression, faisant ainsi descendre la température à une valeur que la pression lui empêcherait d’atteindre normalement. La pression engendrant la température polaire est plus faible que la pression réelle : or cette pression inférieure ne peut pas être atteinte, car la pression réelle correspond déjà à la température polaire réelle. La température polaire réelle est donc plus faible qu’elle ne devrait l’être ; une fois que les conditions saisonnières capables d’engendrer cette température polaire ont disparu, la température polaire n’a plus raison d’être inférieure à ce que la pression lui permet ; donc elle remonte, faisant par le même coup remonter la pression, jusqu’à ce l’équilibre soit de nouveau atteint.
L’inverse se produit sur l’intervalle] 6 ; 60]: pour une température polaire T2, la pression réelle P2 associée à T2 (abscisse du point de C2 d’ordonnée T2) est plus faible que la pression P2’ capable d’engendrer la température polaire T2. Or la pression réelle ne peut pas augmenter plus, car elle correspond déjà à la température polaire réelle. Donc quand les conditions saisonnières capables d’engendrer T2 ont disparu, la température polaire diminue de nouveau, et avec elle la pression, jusqu’à atteindre de nouveau les coordonnées du point A.
Ainsi, quand à cause du cycle saisonnier, la température polaire varie brusquement, l’équilibre se rétablit grâce à la pression à la disparition des conditions saisonnières ayant engendré cette variation, et empêche une augmentation ou une diminution effrénée de l’effet de serre.
Une augmentation artificielle de la température polaire de seulement 5K, c'est-à-dire non liée à la pression, pourrait être représentée graphiquement par une seconde courbe de température polaire, que l’on appellerait C1’, telle que pour toute pression P, la température soit de T(P)+5. Il n’y aurait pas d’intersection entre C1’ et C2, donc plus d’équilibre possible. N’étant pas engendrée par la pression, cette hausse créerait une température non seulement bien plus élevée, mais également totalement déséquilibrée par rapport à la pression : la pression augmenterait alors pour rééquilibrer, mais l’augmentation de température polaire serait si forte qu’il n’y aurait plus d’équilibre possible tant qu’elle est maintenue (ceci est représenté graphiquement par le fait que C1’ est suffisamment au dessus de C2 pour qu’il n’y ait pas d’intersection.
La pression augmenterait de façon effrénée, mais l’équilibre ne serait toujours pas rétabli.
La fonte ne s’arrêtera que quand le CO2 polaire aura été entièrement libéré. L’augmentation de 5K étant juste suffisante à ce que la libération se fasse, il existera de nouveau un équilibre. L’équilibre retrouvé préserverait le projet en cas d’arrêt (pour raisons budgétaires ou autres), car le système température/pression serait de nouveau stable.

L’atmosphère martienne est actuellement régulée par la calotte du pôle sud. Si la température polaire augmente fortement, causant la fonte de la calotte, alors l’atmosphère martienne serait régulée par le réservoir du sol.
La relation entre les réservoirs du sol et l’atmosphère martienne est alors donnée par :
P = {CMaexp(Treg/Td)}1/ (Eq.6)
Ici, Ma est la quantité de CO2 adsorbée dans le sol, y=0,275, C est une constante, et Td est la variation de température nécessaire pour libérer le gaz du régolite martien par rapport à la température actuelle, en Kelvins. Cette valeur est inconnue à l’heure actuelle, et le restera certainement jusqu’à une exploration de Mars avec des expériences sur place. Elle est estimée comme pouvant varier théoriquement de 10K à 60K, mais serait plus probablement comprise entre 20 et 40K ; plus elle est faible, moins la libération du CO2 contenu dans le sol martien demandera d’énergie, moins l’effort artificiel à apporter pour déclencher cette libération une fois la calotte fondue sera important.
Nous apercevons ici un second obstacle potentiel à la terraformation de Mars : une valeur de Td trop élevée pourrait accroître de façon considérable la difficulté du projet, car la libération du CO2 contenu dans le régolite demanderait une grande variation de température, ce qui exigerait la poursuite d’un effort artificiel considérable même une fois la calotte fondue.
Une fois les réservoirs de CO2 des calottes polaires disparus, l’atmosphère sera, comme nous l’avons déjà vu, régulée par les réservoirs du sol martien. Ces réservoirs étant surtout situés dans les hautes latitudes de la planète, près des pôles donc, ils seront sensibles à une élévation conséquente de Tpole.
On calcule la latitude pondérée des réservoirs de CO2 du sol.(Eq.6) exprime l’interaction entre le sol et l’atmosphère ; on peut calculer donc la moyenne pondérée Treg de la température du régolite en reportant (Eq.5) sur la surface de la planète en utilisant (Eq.4).
On obtient alors :
Treg= -Tdln{0S90Exp(-T)/Td)sind} (Eq. 7)


Graphique (2) : voir pièce jointe "mckay graphique"
système «atmosphère/régolite » : on peut voir un point d’équilibre,C . Td a été fixé à 20K, et Ma à 500mB.
C1 , en gris, représente la température pondérée du régolite martien Treg en fonction de la pression P. ; elle a été calculée avec (Eq.7).
C2, en bleu, représente la pression de dioxyde de carbone P libéré par le régolite martien en fonction de sa température pondérée, Treg; elle a été calculée avec (Eq.6).
C3, en rouge, représente la température maximale martienne Tmax en fonction de la température moyenne Tmoy (et donc de la pression); elle a été calculée avec (Eq.3).
Actuellement, Mars est au point C, avec une température pondérée du régolite Treg d’environ 190K, et une pression P de dioxyde de carbone libéré par le régolite proche de 0.

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On peut voir qu’une fois que le CO2 commencera à s’échapper, la pression P3 engendrée par la température réelle T3 (l’abscisse du point de C1 d’ordonnée T3) sera inférieure à la pression P3’ pouvant être atteinte pour cette même température réelle T3 (l’abscisse du point de C2 d’ordonnée T3) : le « potentiel de pression » n’étant pas atteint, la pression augmentera, ce qui provoquera une nouvelle augmentation de la température et ainsi de suite, jusqu’à ce que l’équilibre soit rétabli, en D. Les coordonnées sont les conditions de Mars en cas de libération quasi-totale du CO2 contenu dans le régolite, avec un inventaire planétaire de 500 mB. Cependant, ces modélisations sont optimistes, car elles prennent en compte une valeur Td de 20K. Or les équations ayant aboutie à ce graphique sont telles que le résultat dépend énormément de Td.
L’effet précis de Td est le suivant :
On peut voir dans (Eq.6) que Td est au dénominateur de la fraction T/Td ; or cette fraction multiplie l’équation ; T étant toujours positif, plus Td augmente, plus la fraction est petite, plus l’équation est multipliée par un nombre petit ; donc plus la pression de CO2 libéré est faible. Ceci représente mathématiquement le fait que pour une même augmentation de température, donc un même apport d’énergie, le sol libèrera moins de CO2 s’il a besoin de recevoir beaucoup d’énergie pour le libérer que s’il doit en recevoir peu.
Donc pour une valeur Td plus élevée, la pression de CO2 libéré est plus faible, donc l’élévation de température consécutive est plus faible.
Voici maintenant l’équilibre atmosphère/régolite pour différentes valeurs de Td, avec Ma=500mB :
Graphique (3) : voir pièce jointe "image 3"

Points d’équilibre du système « atmosphère/régolite », avec une quantité totale de CO2 sur Mars Ma=500mB. Une hausse de 10K maintenue par un effort artificiel même après évaporation des calottes pourrait compenser une valeur trop élevée de Td.
Comme nous pouvons le voir, les points d’équilibres pour Td=25 et Td=30 sont à des emplacements éloignés de celui de l’équilibre tel qu’il est avec Td=20.L’équilibre varie de 300mB pour Td=20 à 31 mB pour Td=25 et à 16mB pour Td=30.
Cette sensibilité énorme de P à la valeur inconnue de Td risque de compromettre sérieusement le projet de terraforming.
Cependant, il est possible de compenser une valeur trop élevée de Td en maintenant une augmentation artificielle de la température même après la fonte des calottes polaires. On pourrait alors élever la température moyenne de la planète à plusieurs degrés au dessus de la température provenant de l’atmosphère de CO2 toute seule.
(notons que les courbes Treg et Treg+10 sur le graphique ont été calculées pour Td=25 ; mais leur sensibilité à Td est négligeable).
Soit DT l’augmentation artificielle de température, en kelvins, maintenue artificiellement après libération totale du CO2 polaire.
Une élévation de DT représente une augmentation de la valeur de Treg, numérateur de la fraction Treg/Td dans (Eq.6), donc une augmentation du résultat final : en cas de Td élevée, la fraction aurait une valeur plus proche d’une valeur « idéale » que si Td et DT étaient tous deux faibles.
Une augmentation artificielle, c'est-à-dire ne provenant pas de la pression, de Treg, augmenterait non seulement l’énergie reçue par le régolite et donc la quantité de dioxyde de carbone libéré, mais créerait aussi un déséquilibre pression/température plus important, car la pression réelle serait inférieure à la pression que la température réelle serait capable d’engendrer. En cas de valeur trop élevée de Td, ceci serait la phase clé de l’étape de terraforming : la température réelle devrait impérativement être maintenue au dessus de la température naturelle pour maintenir un déséquilibre important qui pousse le dioxyde de carbone à sortir du régolite.
Sur le graphique (3), la courbe Treg+10 représente la température du régolite avec 10 degrés Kelvins de plus, c’est à dire avec une augmentation de température artificielle maintenue DT=10K.
Ainsi, on peut voir que les intersections de P pour Td=25 et Td=30 , avec la courbe Treg+10, sont à des pressions nettement supérieures que pour Treg : environ 280 mB pour Td=25, et 150mB pour Td=30. Il y a deux raisons à cette augmentation drastique : l’énergie supplémentaire fournie au régolite, et le déséquilibre pression/température bien plus important que dans le cas d’une augmentation de Treg uniquement liée à l’augmentation de Tmoy suite à la fonte de la calotte polaire.
L’augmentation de température est donc elle aussi bien plus importante, du fait de l’effet de serre supplémentaire généré.
Maintenant, voyons les conditions finales de Mars, après que la quasi-totalité du CO2 contenu dans le régolite ait été libéré (il ne pourra pas l’être entièrement, à cause de l’effet « éponge sèche » dont nous avons parlé plus haut).Il y a deux hypothèses, selon l’inventaire planétaire en CO2 de Mars :
« Poor Mars » : Mars « pauvre » en CO2 ; Ma= 500mB.
« Rich Mars » : Mars « riche » en CO2 ; Ma= 1000mB.
Graphique (4) :image 5, pièces jointes pression finale de Mars, avec Ma= 500mB , pour différentes valeurs de Td et de DT .

Graphique (5) : voir pièce jointe "image 4" Température maximale finale de Mars en été aux tropiques, avec Ma=500mB, pour différentes valeurs de TD et de DT. La barre des 273K pourrait être dépassée.
Comme on peut le voir, avec une conjonction de facteurs défavorables (Ma faible et Td élevée) , même avec une DT élevée il serait difficile de dépasser le point de fusion de l’eau, 273K, et d’obtenir une atmosphère épaisse. En revanche, avec une Td faible, une Ma faible permettrait tout de même d’atteindre une pression permettant à des organismes complexes de vivre et une température permettant à l’eau de couler sur une partie de la planète.
Maintenant, considérons que la quantité de CO2 totale sur Mars, Ma, soit suffisante pour donner à la planète rouge une atmosphère de 1000 mB (graphique (6)).
Même pour des valeurs pessimistes pour Td, une valeur de DT forte permettrait d’atteindre des valeurs de pression et de température plus ou moins comparables à celles de la Terre.


Graphique (6) : plus de place :'(
pression finale de Mars avec Ma=1000mB, pour différentes valeurs de Td et de Dt. La pression atmosphérique terrienne peut être presque égalée.


Graphique (7) :voir pièce jointe... pas de chance, plus de place
température maximale finale de Mars, en été aux tropiques, avec Ma=1000mB, pour différentes valeurs de Td et de DT. On peut voir que dans le meilleur des cas, un effort artificiel maintenu après fonte des calottes ne serait pas obligatoire.
Une conjonction de facteurs favorables (Td faible et Ma élevée) permettrait à Mars, même avec une DT nulle, d’avoir une pression comparable à celle de la terre, et une température maximale légèrement au dessus de 273K.
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La difficulté de l’étape de création de l’atmosphère est incertaine, car deux des facteurs dont elle dépend sont inconnus : la quantité Ma de CO2 contenue dans les différents réservoirs de la planète, et l’énergie Td nécessaire à la libération de CO2 contenu dans le sol martien.
Mais même si les conditions finales sont sensibles à l’énergie requise pour la libération du CO2 contenu dans le sol, et à la quantité de CO2 déjà présent sur Mars, elles sont encore plus sensibles à l’effort artificiel maintenu après la fonte de la calotte polaire.
En considérant bien sur qu’un problème insoluble dont nous parleront bientôt ne se pose pas :
Les conditions de l’atmosphère martienne, à la fin de cette première étape sont donc contrôlables par l’Homme.
Hors de toute considération technique ou matérielle, il est théoriquement possible d’épaissir et de réchauffer suffisamment l’atmosphère martienne pour que l’être humain puisse vivre à la surface de Mars avec uniquement un masque à oxygène.
En fait, la réalisation de cette première étape de la terraformation de Mars, même en cas de conjonction de facteurs défavorables, ne serait qu’une question de temps : le temps pour l’Homme d’acquérir des moyens technique colossaux, à même de compenser une élévation de température nécessaire à la libération du CO2 du sol (Td) trop élevée et un inventaire planétaire en CO2 (Ma) trop faible par un effort artificiel maintenu après fonte de la calotte (DT) énorme.
Le plus important est que la température martienne atteigne 273K, au moins de façon saisonnière, sous les tropiques ;l’eau gelée dans le pergélisol martien commencerait à fondre;or la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre très puissant ; le prochain maillon de la chaîne serait ainsi activé.

Les différentes hypothèses sont rassemblées ici :
TD / Ma « Poor Mars » ; Ma=500mB « rich Mars » ; Ma=1000mB
Td>=15 ma=500:Conditions finales suffisantes
ma=1000Conditions suffisantes
Td>=25 ma=500Effort artificiel maintenu>10K pour espérer des conditions finales suffisantes
ma=1000:Conditions suffisantes
Td>=40 ma=500Conditions insuffisantes: température correcte avec un effort artificiel maintenu considérable ; pression insuffisante; l’épaississement de l’atmosphère demandera un effort artificiel immense.
ma=1000Température suffisante, pression insuffisante, même avec un effort artificiel maintenu considérable ; l’épaississement de l’atmosphère demanderait un effort artificiel immense.

Voici un récapitulatif des conditions de Mars une fois le CO2 du pôle sud et du régolite libéré , en fonction des paramètres incertains Td et Ma.
Notons cependant qu’un problème insoluble persiste: il est possible que Mars n’ait pas une attraction gravitationnelle suffisante pour retenir les gaz de son atmosphère : ceux-ci s’échapperaient alors dans l’espace. Une telle condition rendrait évidemment toute tentative de terraforming inutile. A l’heure actuelle, cette interrogation n’a toujours pas été résolue. Il pourrait être utile d’étudier l’histoire martienne pour cela ; en effet, nous savons que Mars a eu, il y a plusieurs milliards d’année, des conditions de température et de pression comparables à celles de la Terre. Une des hypothèses pouvant expliquer le changement intervenu depuis serait une disparition des gaz vers l’espace interplanétaire ; mais comme nous le verrons plus tard, la disparition de l’atmosphère préhistorique de Mars peut s’expliquer d’une autre manière très crédible. C’est donc probablement dans le passé de la planète que les scientifiques devront chercher la réponse à cette interrogation : s’il est découvert que l’atmosphère martienne a disparu à cause de la trop faible attraction gravitationnelle de la planète, alors toute tentative de terraforming sera inutile.
Cependant, la planète naine Pluton constitue possible contre-exemple : ce corps bien moins massif que Mars voit l’azote gelé de son sol passer dans l’atmosphère quand il se rapproche du soleil, puis revenir à l’état solide quand il s’en éloigne ; or même si la pression de l’atmosphère ainsi crée est très faible, force est de constater que le mécanisme continue, alors que depuis que le système solaire existe l’inventaire planétaire entier en gaz aurait eu largemment le temps de s’échapper dans l’espace. Cependant, Pluton n’est pas encore assez bien connue pour pouvoir tirer des conclusions catégoriques.

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Nous voyons donc qu’une hausse de 5 degrés Kelvins de la température polaire peut déclencher une réaction en chaîne qui, si elle reçoit un soutien de la part de l’Homme en cas de présence de facteurs défavorables, peut aboutir à la création d’une atmosphère de température et de pression similaires à l’atmosphère terrienne.
Nous allons maintenant voir comment nous pourrions apporter ces 5K supplémentaires.
Voici (Eq.1) et (Eq.2) :
Tmoy = S^0.25xTBB + 20(1+S)P^0.5 (Eq.1)
Tpole = Tmoy - T/(1 + 5P) (Eq. 2)
Le paramètre à changer sur Mars est la température polaire Tpole. Or cette température est, comme nous le montre (Eq.2), une fonction de la pression et de la température moyenne, qui est elle-même une fonction de la pression P et de la constante solaire S.
Nous aurons deux possibilités:
-soit augmenter la constante solaire, en fournissant à Mars un éclairage plus élevé, c'est-à-dire en construisant dans le voisinage un ou plusieurs miroir(s) reflétant la lumière du soleil.
-soit augmenter directement la température moyenne, grâce à l’action d’autres gaz à effets de serre, qui pourraient être produits sur place dans des usines, ou importés en déviant les trajectoires de corps interplanétaires (astéroïdes, comètes) qui contiendrait ces gaz.
Les applications de ces deux possibilités auront aussi une influence sur la pression en CO2, qui est un des facteurs dont dépend la température.
Comme nous le verrons plus tard, conjuguer les moyens cités ci-dessus sera certainement indispensable.
La constante solaire représente l’énergie lumineuse reçue par Mars ; avec le soleil pour seule source lumineuse, on a S=1.L’ajout de miroirs augmenterait cette constante.
Une augmentation de 5K de la température polaire requérrait une constante solaire au niveau du pôle sud de 1,032 ; augmenter la constante solaire revient tout simplement à fournir à la région ciblée un éclairage plus intense.
L’énergie solaire reçue sur Terre par unité de surface est d’environ 1400 W/M². Sachant que le flux solaire reçu par un corps céleste est inversement proportionnel au carré de la distance séparant ce corps du soleil, et que Mars est à environ 1,52 UA du soleil, on peut dire que l’énergie solaire moyenne reçue par Mars ρ par unité de surface
est de ρ=1400/1,52²=608 W/m².
Dans les calculs suivants, les longueurs sont données en mètres, les surfaces en mètre carré, les énergies en Watts, les énergies par unité de surface en Watts par mètre carré, les angles en degrés.
Les rayons équatoriaux Requa et polaires Rpôle de Mars ne sont pas égaux : cependant, ces différences sont négligeables pour avoir une influence réelle sur les angles, donc on assimile Mars vu de la tranche a un cercle trigonométrique.
On calcule maintenant l’énergie solaire reçue par les régions martiennes situées à une latitude supérieure à 70° sud ; on assimile ces régions à une calotte sphérique, dont on calcule la hauteur H à l’aide de la trigonométrie .
Reporté sur le rayon polaire, qui est de 3 377 000 mètres, Sin70° serait exprimé de la façon suivante :
R’pôle(sin70°)=0,93xRpôle=3 140 600
H=Rpôle’(sin70°)=3 377 000-3 173 340=204 000
On calcule l’aire ω de la calotte sphérique :
ω=2πRH=2πx3402000x204000=4,36x 10^12
L’énergie totale β reçue par la calotte sphérique serait donc :
β= ωxρ=4,36x10^12x608=2,65x10 ^15, divisé par 2 car seulement une moitié de la calotte sphérique est illuminée en même temps, ce qui donne β=1,32x10^15.
L’énergie supplémentaire à apporter δ correspondrait à 3,2% de l’énergie initiale :
δ= β(1+3,2/100)-β=1,32x10^15(1+3,2/100)-1,32x10^15=4,22x10^13.
L’aire de surface réfléchissante τ nécessaire à la réflexion d’une telle quantité d’énergie solaire vers la calotte sphérique serait de :
τ= δ/ ρ=4,22x10^13/608=6,94x10^10
Et le rayon Ω du miroir serait exprimé par:
Ω=(τ/π)^0,5=(6,94x10^10/pi)^0,5=148 629
Un miroir d’un diamètre d’environ 150 km apporterait une augmentation de la constante solaire suffisante pour augmenter la température polaire de 5K.
Le miroir en question, qui serait plutôt en fait une voile (en aluminium certainement) serait bien trop gros pour pouvoir être lancé depuis la Terre ; mais il pourrait être assemblé dans l’espace, grâce à des matériaux récoltés sur le satellite de Mars, Phobos, ou dans la ceinture d’astéroïdes entre les orbites martiennes et joviennes. La quantité d’énergie nécessaire à sa construction serait de plus de 100 MWe par an ; elle pourrait être apportée par des réacteurs nucléaires.
Afin d’optimiser l’énergie reçue par la planète, le miroir ne serait pas en orbite au dessus de Mars(ce qui ne lui donnerait pas toujours un angle idéal par rapport à la trajectoire des rayons du soleil, et lui ferait recouvrir parfois Mars de son ombre) mais tenu en équilibre par l’attraction gravitationnelle martienne , qui l’attirerait vers l’intérieur du système solaire, et la pression exercée par les rayons du soleil sur la voile, qui du fait de son extrême légèreté la repousserait au contraire vers l’extérieur du système solaire. La distance d’équilibre serait de 214 000 Km.
Une des autres idées avancées par les scientifiques serait d’utiliser l’action de gaz à effet de serre, telles que les CFC, pour réchauffer l’ensemble de la planète.
Deux possibilités existent :
1-Produire les gaz sur place.
Les Chlorofluorocarbones sont des gaz à effet de serre très puissants. Mais leur intérêt réside aussi dans leurs autres propriétés chimiques : ils sont inertes, ininflammables, non toxiques, extrêmement stables, et leur coût de production est ridicule.
Ces gaz pourraient être produits par des usines installées sur Mars : il serait possible d’élever la température de 5 à 40 K, selon la production, en seulement 20 ans.
L’énergie que requiert leur production pourrait être apportée par des réacteurs nucléaires. La durée de vie de ces gaz étant d’environ un siècle, un cinquième de l’énergie qui fut nécessaire à leur production sera nécessaire pour maintenir leurs pressions dans l’atmosphère une fois le terraforming achevé.
Il existe cependant plusieurs problèmes concernant les CFC :
-A l’heure ou ils seront utilisés, l’atmosphère martienne sera encore peu épaisse, et n’aura pas de couche d’ozone ; les rayons ultraviolets ne seront pas filtrés ; or, les ultraviolets détruisent les liaisons C-Cl.
-Le chlore ainsi libéré serait incompatible avec la création puis l’existence d’une couche d’ozone suffisamment épaisse pour assurer une protection substantielle aux ultraviolets.
Au vu de ces problèmes, les PFC (perfuorocarbones) seront peut-être préférées aux CFC, car ils sont peu sensibles aux UV, et ne contiennent pas de chlore. Hélas, leur capacité à augmenter l’effet de serre est encore mal connue, et ils ont tendance à dissoudre le CO2 le dioxygène.
De plus, l’installation sur Mars d’usines de taille assez grande pour produire d’énormes quantités de gaz semble au-delà des capacités technologiques humaines du 21ème siècle. Et le bon fonctionnement de ces usines requerrait la présence continue de centaines de personnes sur Mars, et une logistique énorme. Un tel projet atteindrait évidemment un coût exorbitant.
L’utilisation des CFC pour réchauffer Mars est donc, au vu de tous les arguments cités ci-dessus, problématique.

2-Déplacer des astéroïdes contenant de l’ammoniac.
L’ammoniac NH3 est un gaz à effet de serre puissant. Il est très probable qu’une grande quantité de ce gaz soit contenue sous forme solide par des objets tels que des astéroïdes. En effet, des observations ont déjà montré que les astéroïdes situés au-delà de Saturne étaient pour certains en partie constitués de gaz gelés. Il pourrait être possible de changer les trajectoires de plusieurs de ces astéroïdes pour les faire entrer en collision avec Mars. Les lois régissant les orbites des corps interplanétaires sont telles que les objets situés loin de notre soleil ont une vitesse plus lente que ceux qui ont une orbite de plus petit rayon ; la variation de vitesse nécessaire au changement de trajectoire d’un orbitant à une distance de 25AU du soleil dans le système solaire extérieur serait plus petite que celle nécessaire pour un astéroïde orbitant à 2,5AU du soleil, dans la Grande Ceinture séparant Mars de Jupiter.
Mais même en donnant à l’astéroïde une trajectoire très elliptique, il mettrait des siècles avant de rencontrer l’orbite martienne. D’où le deuxième avantage du fait de choisir un astéroïde du système solaire extérieur :en choisissant un astéroïde situé dans le système solaire extérieur, nous pourrions profiter de la force de gravitation des planètes majeures pour le catapulter, le plaçant ainsi sur la trajectoire de Mars en quelques dizaines d’années, comme nous pouvons le voir sur Graphique (8) :

Graphique (8) lus de place en pièce jointe dsl
Il existe une proportionnalité grossière entre la distance d’un astéroïde au soleil et le temps qu’il mettrait à atteindre Mars.
L’énergie nécessaire au changement de trajectoire pourrait être fournie par un réacteur nucléaire qui, installé sur l’astéroïde, pourrait porter l’ammoniac de ce dernier à une température de 2200K, et déplacerait l’astéroïde comme une fusée thermique .Etant donné qu’il existe grossièrement une relation de proportionnalité entre la quantité d’ammoniac contenue par un astéroïde et sa taille, seul 8% de l’ammoniac serait utilisé comme combustible.
L’énergie déployée à l’impact d’un tel astéroïde serait de l’ordre de 10 TWe, c'est-à-dire bien plus que l’énergie nécessaire à changer sa trajectoire.
Cependant la faisabilité de cette technique n’est pas sure ; les données sur les astéroïdes du système solaire extérieur sont assez faibles ; de plus la durée de vie courte des molécules d’ammoniac – elles sont séparées par la lumière en moins d’une centaine d’année - obligerait les tirs d’astéroïdes a être poursuivis à une fréquence moindre et de plus en plus faible même une fois le CO2 du régolite libéré. Chaque objet déployant à l’impact l’énergie de milliers de bombes nucléaires, un tel système serait sûrement incompatible avec une colonisation humaine de Mars.
L’utilisation d’astéroïdes pour réchauffer Mars est donc bien plus réaliste que celle de CFC, bien que de gros problèmes subsistent.
Une 3ème méthode, consistant en l’augmentation de l’albédo martien par le recouvrement d’une partie de la planète grâce à de la poussière noire n’a pas été retenue : en effet, le vent aurait tôt fait de disperser ces poussières.
Nous avons ainsi vu les différentes méthodes envisagées pour créer une atmosphère martienne. Elles sont toutes très coûteuses et dépassent plus ou moins la technologie que nous possédons actuellement ; de plus elles induisent des problèmes d’ordre scientifique (par exemple, destruction de l’ozone pour les CFC, ou faible durée de vie des molécules d’ammoniac pour les astéroïdes).
Conclusion :
La première étape de la terraformation de Mars exigera des moyens actuellement hors de notre portée, néanmoins elle sera réalisable, sous réserve que l’atmosphère martienne ne s’échappe pas dans l’espace

[U-boîte]

Voila, c'est fini, du moins cette partie

Je posterais bientôt la suite:

Protéger la planète rouge des rayons cosmiques.



Je vous ai épargné l'introduction réductrice et "vulgarisatrice" du TPE

[f6bes]

..
Je vous ai épargné l'introduction ....
:

Bonjour U boite.......
Je crois que nous ne pouvons que t'en remercier !!!!
Cordialement

[musique 32]

oui je pense!

[titou876]

Fait attention si tu n'as pas encore passé ton epreuve de tpe: les examinateurs préfèrent quelque chose de court et précis qu'un grand pavé complexe

[Argyre]

Bonsoir,

D’où le deuxième avantage du fait de choisir un astéroïde du système solaire extérieur :en choisissant un astéroïde situé dans le système solaire extérieur, nous pourrions profiter de la force de gravitation des planètes majeures pour le catapulter, le plaçant ainsi sur la trajectoire de Mars en quelques dizaines d’années, comme nous pouvons le voir sur Graphique (8) :

1) Tout cela est très intéressant, mais beaucoup a déjà été fait par d'autres. Aussi, il serait bien que tu cites les références des travaux sur lesquels tu t'es appuyé, ce qui te dispenserait du coup de faire des résumés aussi longs ...
En particulier, tout ce qui concerne la transformation de l'atmosphère me parait être un copié-collé des travaux de Chris Mac Kay ou de M.J. Fogg, non ?

2) Les carbonates sont présents en moins grande quantité que prévu dans le sol de Mars, ce qui constitue d'ailleurs une des énigmes à résoudre. Mais cela entraîne une pression plus faible de CO2 dans le modèle de terraforming.

3) En ce qui concerne la déviation d'un astéroïde, tu as parfaitement raison, il est plus facile d'en ramener 1 du système solaire extérieur ... sauf si on considère un astéroïde déjà sur une orbite proche de celle de Mars. A noter notamment le cas de Hypnos, qui est probablement l'astéroïde qui serait le plus facile à dévier de sa trajectoire afin de l'amener à impacter Mars, mais on ne connait pas sa composition.

Cordialement,
Argyre

[Europa73]

Bonsoir,
1) Tout cela est très intéressant, mais beaucoup a déjà été fait par d'autres. Aussi, il serait bien que tu cites les références des travaux sur lesquels tu t'es appuyé, ce qui te dispenserait du coup de faire des résumés aussi longs ...
En particulier, tout ce qui concerne la transformation de l'atmosphère me parait être un copié-collé des travaux de Chris Mac Kay ou de M.J. Fogg, non ?
Cordialement,
Argyre

Bonsoir.

Je partage le même avis, il règne non seulement un semblant de déjà vu dans ses dires et je ne pense pas qu'en seconde ou en première on puisse faire un tpe sur le terraforming de Mars ou alors dans mon lycée on étaient vraiment des retardés.

Enfin, je me trompe peut être et si c'est le cas "sorry U-boîte"

Cordialement,
Europa

[U-boîte]

référence principale: "Technological requiremnts for terraforming of Mars", de Mckay et Zubrin (lien: http://www.users.globalnet.co.uk/~mfogg/zubrin.htm ).

Leur modélisation mathématique des conditions martienne est assez complexe, et à a demandé plusieurs dizaines d'heure de réflexion à lycéen comme moi
Donc non ce n'est pas du copier collé; si tu regardes bien, nulle part dans leur travail ils n'expliquent vraiment clairement le mécanisme de régulation.

J'ai aussi entendu parlé d'un certain Fogg, qui aurait collaboé avec mckay, je n'ai pas lu leur travaux en revanche.

[U-boîte]

EDIT suite à l'ntervention de europa73, il a posté pendant que j'écrivais ma réponse

re-edit: pas possible d'edit plus de 5 minutes après avoir posté je "répond" donc:

Je sais pas si vous êtes retardés dans votre lycée, mais je te garantis que j'ai fait ceci tout seul (d'ailleurs je pouvais pas compter sur mes huîtres de "coéquipiers" pour m'aider).

Si j'ai passé autant de temp sur cesujet jusq'à le comprendre dans ses détails, c'est surtout parcequ'il m'interesse en fait, et que l'astronomie, et plus particulièrement la planétologie, sont dans ma ligne de mire pour après le BAC!

Je répéte que j'ai pas lu els travaux de fogg et mckay, il est possible que je les ai paraphrasé sans le savoir, mais dans le trvail demckay et zubrin, vous pourrez chercher, à aucun moment ils n'expliquent vraiment en quoi consiste l'équilibre presssion/température.
Par contre vu que j'ai pas excell, les graphiques sont d'eux

[ABN84]

(d'ailleurs je pouvais pas compter sur mes huîtres de "coéquipiers" pour m'aider).

tu fais preuve d'une tres grande humilité. il ne faut pas.

[Argyre]

Bonjour,

Si j'ai passé autant de temp sur cesujet jusq'à le comprendre dans ses détails, c'est surtout parcequ'il m'interesse en fait, et que l'astronomie, et plus particulièrement la planétologie, sont dans ma ligne de mire pour après le BAC!

Très bien, bienvenu chez les passionnés alors.
Et bon courage pour la suite ... mais n'oublie pas de réviser toutes les matières pour avoir le bac dans les meilleures conditions, ce qui te permettra de viser plus haut par la suite !

Cordialement,
Argyre

[Imaginos]

Un détail me chiffone dans tout ça.

Mars a depuis longtemps perdu son champ magnétique (arret de la rotation de son noyau ?) et sans cette protection, comment est-il possible de protéger la surface du rayonnement et des vent solaires ?

Et sans protection de ce genre, l'atmosphère risque fort de ne pas résister, sans compter que la vie à sa surface serait quasi impossible, ce qui rendrait la terraformation sans intérêt.

A moins que je ne me trompe du tout au tout sur ce sujet, il me semble que c'est là un ecueil qu'il ne faut pas éviter, sauf que je ne vois pas vraiment comment on pourrait recréer une magnétosphère (à moins de rechauffer le noyau pour le reliquéfier et lui imprimer une nouvelle rotation ? The Core n'est pas loin et même si c'est un film distrayant, c'est vraiment de la pure fiction, non ?)

[vanos]

Un détail me chiffonne dans tout ça.

Bonsoir Imaginos,

Mais qu'est-ce qu'il te prend, tu perds la raison ! tu vas réveiller U-Boîte et il risque de passer aux actes :

Voila, c'est fini, du moins cette partie

Je posterais bientôt la suite:

Protéger la planète rouge des rayons cosmiques.



Je vous ai épargné l'introduction réductrice et "vulgarisatrice" du TPE

Bonjour les "post" horriblement longs et très assommants.

Salut.