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)sind} (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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