Origine, nature et répartition de l’eau dans le système solaire

L’eau et les molécules dans l’Univers

Les 3 éléments chimiques les plus abondants dans l’Univers sont dans l’ordre H, He et O. He étant inerte, il n’est pas étonnant que les deux atomes les plus abondants H et O se combinent soit en H2 soit en H2O, ce que confirment toutes les observations astronomiques. Les atomes réactifs et abondants suivent l’eau et forment de nouveaux composés comme CH4, NH3, HCN, SiO4Mg (olivine), SiO3Mg(pyroxène), Fe.

L’eau dans les nébuleuses

Les nébuleuses sont des nuages de gaz et de poussières où la pression est partout très faible mais où règne un gradient de température et de pression : chaud et faible pression au centre, froid et pression extrêmement faible à la périphérie.

Température au sein de la nébuleuse protosolaire en formation.

Température au sein de la nébuleuse protosolaire en formation.

 

Au centre de la nébuleuse ne sont solides que les molécules réfractaires (silicates, fer). Ces molécules s’agrègent en poussières. Vers la périphérie, elles peuvent s’hydrater (olivine → serpentine). Encore plus loin, ces poussières silicatées et oxydées se recouvrent de glaces d’eau puis là où il fait assez froid de glaces de NH3, CH4…

L’eau dans le système solaire interne.

L’eau initiale

Le système solaire interne a été formé par l’accrétion des poussières présentes dans les régions centrales de la nébuleuse présolaire et est donc constitué majoritairement de silicates, de fer et l’eau y est minoritaire. Cette eau peut provenir :

  • de l’eau contenue dans les poussières initiales. Une fois accrétées en planètes, cette eau a été dégazée du manteau.
  • De l’eau apportée après la formation de la planète par les corps bombardant le système solaire interne.

Cette deuxième hypothèse est fortement privilégiée et l’eau proviendrait essentiellement de chondrites riches en eau accrétées à la fin de la formation de la Terre,  juste après la formation de la Lune.

Le devenir de l’eau

Diagramme de phase de l'eau et conditions de pression et de température sur les planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre et Mars)

Diagramme de phase de l'eau et conditions de pression et de température sur les planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre et Mars)

 

La Lune et Mercure

Sur ces deux corps, la température élevée et la faible gravité communiquent une forte vitesse aux molécules d’eau qui se sont donc échappées de la planète. De la glace d’eau a pu être détectée dans des cratères qui ne sont jamais éclairés par le Soleil. En 2009, la mission LRO envoyée sur la Lune a permis d’observer des zones de minéraux hydratés qui pourraient suggèrer un léger niveau d’eau sous-jacent.

La Terre

L’eau existe sous ses 3 états à la surface grâce à une température et une pression modérée et une gravité ayant permis à l’eau de rester sur Terre. A côté de l’eau superficielle, l’eau mantellique représente une masse équivalent aux océans.  Le volcanisme dégaze et déshydrate le manteau en permanence. Celui-ci est réhydraté via la subduction.

Mars

Quelques rappels ici de ce qui a été dans le poster documentaire sur Mars : il existe des calottes permanentes de glaces d’eau et les images montrent que Mars a eu un réseau fluviatile avant 3.5 Ga. On peut aussi ajouter que de l’eau à l’état liquide doit exister dans le sous-sol martien sans doute vers 5-10km de profondeur. Si l’eau liquide a disparu de la surface, c’est que l’effet de serre et donc la température et la pression de Mars ont diminué. En effet, comme pour La Lune et Mercure, l’atmosphère de Mars fuit progressivement à cause de sa faible gravité et diminue donc l’effet de serre. Cette fuite concerne aussi les molécules d’eau.

Vénus

La gravité de Vénus étant suffisante, on devrait retrouver de l’eau à l’état de vapeur étant donné la température de surface. Pourtant, on en retrouve que quelques dizaines de ppm. On pense que la vapeur de H2O atmosphérique soumise aux U.V. solaire a été photolysée en H2 et O2. Le H2 a fui de l’atmosphère vénusienne. On suppose que le O2 a oxydé la surface de Vénus puisqu’il « suffit » d’oxyder l’intégralité du Fe2+ des silicates en Fe3+ sur quelques dizaines de kilomètres d’épaisseur pour absorber tout l’O2 théorique de Vénus.
L’eau dans le système solaire externe.

Les TNOs  et les satellites de glaces

Le système solaire externe où la température en plein jour ne dépasse pas -150°C résulte de l’accrétion de poussières condensées en périphérie de la nébuleuse présolaire théoriquement très riche en eau. Certains corps ont une faible masse volumique, comprise en 1 et 2 g/cm3, et montrent des spectres superficiels indiquant la présence majoritaire de glaces : les TNOs et les satellites de glace.  Ces corps sont donc compatibles avec une composition >50% de glace le reste étant de chimie chondritique. Certains sont même différenciés et peuvent donc avoir de l’eau à l’état liquide en leur sein.

Les Planètes géantes

En surface, les 4 planètes géantes ne sont constituées que de H et He. Cependant, leur masse volumique (de 0,7 à 1,7 g/cm3) ainsi que leur moment    d’inertie    montrent    que  leur   intérieur  est constitué d’un noyau plus dense qui n’est pas fait de H ou He comprimé. A l’origine, les planètes géantes n’étaient pas différentes des autres corps de la région c’est à dire des corps faits de glaces et de silicates. Etant assez massifs, leur gravité a été suffisante pour attirer très tôt les gaz H et He et les retenir même après l’allumage du Soleil qui  a chassé les autres gaz à cause du vent solaire.

Io et Europe

La densité des moyennes de ces deux corps montrent qu’ils sont globalement chondritique avec une faible couche d’eau pour Europe. Leur différence avec les autres satellites de cette région provient de leur proximité à Jupiter qui, via des phénomènes de marées, échauffent suffisamment ces corps pour vaporiser la totalité de l’eau et la laisser fuir pour Io qui est le plus proche et une partie seulement pour Europe.


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