TPE : Mars habitable - un futur proche
Comparaison entre la Terre et Mars selon :
L’étude des caractéristiques de la planète Mars est essentiel pour pouvoir déterminer son habitabilité tout en la comparant avec la Terre. Ces critères tels que la température sur la planète ou encore les composants présents dans l’atmosphère de Mars peuvent influencer la présence ou non de vie.
Alors que la planète Terre boucle son orbite à une vitesse d’environ 30 km/s et en 365 jours, la planète Mars met environ 687 jours pour le parcourir et à une vitesse d’environ 25 km/s. Donc comme une année sur Mars dure deux fois plus longtemps que sur la Terre, les saisons printemps, été, automne et hiver durent donc elle aussi deux
L’axe d’inclinaison de la planète Mars est très proche de celui de la Terre avec 25,2° pour Mars et 23,4° pour la Terre. Cette similitude permet donc à la planète Mars d’avoir quatre saisons similaires à celles de la Terre, mais celles-ci sont de durées et d’intensités très différentes au cours de l’année martienne.
fois plus longtemps six mois en moyenne. La durée des saisons martiennes est donc complètement différente de celle de la Terre et les saisons martiennes sont donc de durées inégales.
Saison sur Mars :
De plus, la Terre gravite sur une trajectoire pratiquement circulaire à 150 millions de kilomètres du Soleil en moyenne alors que la planète Mars a une trajectoire plus ovale et plus grande que celle de la Terre. La distance entre Mars et le Soleil varie donc entre 207 millions de kilomètres au point le plus proche également appelé périhélie et 249 millions au point le plus éloigné appelé aphélie. A cause de ces différences, l’hémisphère sud connaît des saisons très marquées, avec des hivers très longs et extrêmement froids alors que les étés sont courts et très chauds. A l’inverse, l’hémisphère nord subit donc des saisons très marquées avec des
hivers glacials et très longs. C’est donc dans l’hémisphère sud qu’il y a des écarts de température très élevés. On observe donc des tempêtes de poussière vers la fin de l’hiver et le début du printemps qui sont présentes sur toute la planète.
Dans l’atmosphère de Mars, des grains de poussière sont responsables de la teinte rosée au ciel de la planète Mars. La très faible gravité et la fine couche d’atmosphère martienne permet à des vents très
forts de soulever ces grains de poussière présents et grâce à des turbulences de les maintenir en suspension dans l’air martien. Certaines de ces tempêtes peuvent monter jusqu’à près de 60 kilomètres d’altitude. Cette poussière est très fine et met très longtemps à retomber sur le sol martien.
Il semblerait que ces tempêtes de poussière puissent jouer un rôle d’effet de serre et augmenteraient également l’absorption du
rayonnement solaire ce qui est très important pour la protection de la planète Mars et permettrait à cette atmosphère de se réchauffer.
Le fait que l’atmosphère soit composée d’environ 95% de dioxyde de carbone (CO2), cela est un frein important à la vie humaine sur Mars car l’air est irrespirable. Or pendant l’hiver sur Mars, les calottes polaires sont plongées dans le noir. Pendant cette période, la température atmosphérique devient si
faible que près de 25% du CO2 se concentre sur les deux pôles et se condense en glace. Au contraire, en été la glace se sublime dans l’atmosphère. Ces phénomènes de changements d’états entraînent des changements de variation importante de la composition et de la pression atmosphérique. Le gaz carbonique pourrait permettre aux scientifiques de fabriquer de l’eau et de l’oxygène. De plus l’atmosphère est également composée de 1,6% d'argon qui, contrairement au CO2, ne se condense pas dans l’atmosphère de Mars ce qui le rend constant dans le
le temps. Mais certains endroits sont plus concentrés en argon notamment au pôle sud de Mars ce qui nous indique une impossibilité d'implanter une base spatiale. D’autres composants tels que l'azote présent à près de 3% et une infime présence d'oxygène et d'eau nous montrent les capacités que la planète Mars possède. Il semblerait qu’aujourd’hui la seul fine couche d’atmosphère qu’il reste à la planète Mars soit dûe à sa force gravitationnelle.
Comparaison de la Terre et de Mars :
L'atmosphère des planètes sont souvent composées de gaz pouvant permettre ou non la présence d'êtres vivants. Cette atmosphère est globalement la même sur toute la planète, elle est donc retenue par la force gravitationnelle de cette planète qui est calculée par g= µ/R².
Où G est la constante gravitationnelle (G=6,6738 × 10⁻¹¹ m³.kg⁻¹.s⁻²), M est la masse de l'astre en kilogrammes (641,85 × 10²¹ kg pour Mars et 5,975 × 10 pour la Terre), R est le rayon de la planète en mètres (3 389 500 m pour Mars et 6 400 000 m pour la Terre), d est la distance de l'objet à la surface de l'astre en mètres et µ est le paramètre gravitationnel standard associé à la masse de l'astre : µ=GM.
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Pour Mars :
Pour la Terre :
Avec 3,694 m/s² la planète Mars a une plus faible gravité que la planète Terre qui a une gravité de 9,735 m/s². Cela est surement dû à la masse de Mars qui représente qu’un quart de celle de la Terre. La présence de certains gaz dans l’atmosphère va donc dépendre de la vitesse de libération défini par :
GM=6,6738 × 10⁻¹¹ × 5,975 × 10 =3,9875 × 10
g=µ/R²=3,9875 × 10 / 6 400 000²
g=9,735 m/s² à 10⁻³
GM=6,6738 × 10⁻¹¹ × 641,85 × 10²¹ =4,2435 × 10¹³
g=µ/R²=4,2435 × 10¹³ / 3 389 500²
g=3,694 m/s² à 10⁻³
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Ve=√ (2GM/(R+d))= √ (2µ/(R+d))
Où Ve est la vitesse de libération en mètres par seconde. Cette vitesse de libération, appelée également vitesse d'évasion, dans le domaine de la physique correspond à la vitesse minimale qu'un objet doit acquérir pour pouvoir échapper à l'attraction gravitationnelle d'un astre quelconque et pour pouvoir s'en éloigner définitivement.
lim Ve d→0
=√ (2GM/R)=√ (2µ /R)
Voici les calculs que nous avons réalisés pour déterminer cette vitesse de libération la Terre et de Mars :
Pour Mars :
GM=4,2435 × 10¹³
Ve=√ (2µ /R)=√ (2 × 4,2435 × 10¹³ / 3 389 500)
=√ (8,4870 × 10¹³ / 3 389 500)
=√ (25 039 091)=5 003 m/s
Pour la Terre :
GM=3,9875 × 10
Ve=√ (2µ /R)=√ (2 × 3,987 × 10 / 6 400 000)
=√ (7,975 × 10 / 6 400 000)
=√ (124 612 359)=11 162 m/s
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Il faut donc que l'objet atteigne la vitesse de 11 162 m/s pour qu'il s'échape de la Terre alors que pour Mars il faut qu'il atteigne une vitesse d'environ 5 000 m/s soit 5 km/s sinon il reste attiré par l'astre.
Or si la vitesse d’agitation thermique des molécules est plus de 10 fois inférieure à la vitesse d’évasion, les molécules restent autour de la planète. Sinon, elles s’évadent. La vitesse d'agitation thermique des molécules est definie par Vt= √(3kT/m) ou k est une constante (1,4 × 10⁻²³ USI, pour Unité du Système International), T est la température en Kelvin (1K=1°C + 273) et m est la masse moléculaire en kg. Donc pour le cas de la molécule d'eau, m=2.99 × 10⁻ .
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Pour Mars :
Pour la Terre :
Tmars=-53 + 273=220 K
Vt=√ (3kTmars/m)
= √ (3 × 1,40 × 10⁻²³ × 220 / 2.99 × 10⁻ )
=√ (9,24 × 10⁻²¹ / 2.99 × 10⁻ )
=√ (309 030)=556 m/s
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Tterre=14 + 273=287 K
Vt=√ (3kTterre/m)
= √ (3 × 1,40 × 10⁻²³ × 287 / 2.99 × 10⁻ )
=√ (1.21 × 10⁻ / 2.99 × 10⁻ )
=√ 404 682)=636 m/s
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Donc la vitesse d'agitation thermique de la molécule d'eau sur Mars est de 556 m/s et celle de la Terre est de 636 m/s. Or si Vt × 10 < Ve alors les molécules gazeuses seront retenues. Dans notre cas, pour Mars 553 × 10=5 560 > 5 003 donc la molécule d'eau ne peut être retenue par l'atmosphère de Mars. Alors que pour la Terre, 636 × 10=6 360 < 11 162 donc la molécule d'eau est retenue par l'atmosphère terrestre. On peut donc penser que la faible gravité en lien avec la température de Mars peut être un facteur de l'absence de l'eau sur Mars.
Dans ce diagramme suivant, on a représenté en fonction de la température et de la vitesse d'agitation thermique (× 10) pour les différents gaz et la vitesse de Libération (/10) pour les différentes planètes du système solaire et quelques satellites. Donc l'astre ne peut retenir qu'un gaz dont sa courbe est située en dessous de lui ou proche de lui. Puis plus la courbe est au-dessus de l'astre plus les gaz vont s'échapper de son attraction gravitationnelle.
Diagramme de la rétention des gaz :
La fine couche d’ozone présente autour de la planète Mars est également un point important car Mars n’est donc pas protégée face aux radiations dangereuses comme des rayonnements Ultra-Violet (UV) ou encore des rayons cosmiques. Cela constitue donc un obstacle à la vie en surface mais des adaptations sont possibles. L’absence d’ozone engendre également un effet de serre nul sur la planète ce qui empêche la rétention de chaleur et a donc pour conséquence les températures extrêmes présents sur la planète Mars.
La recherche d’une planète pour pouvoir accueillir l’espèce humaine passe par l’étude des températures. Vénus aurait pu jouer ce rôle elle est la plus près de la Terre et de taille comparable. Or elle est étouffée par une atmosphère riche en gaz carbonique qui la chauffe par effet de serre jusqu’à près de 500°C. Cette planète était donc exclue.
Mars est la suivante sur la liste des planètes les plus proches de la Terre. Son éloignement du soleil rend encore des possibilités d’aller vivre sur cette planète avec des températures plutôt clémentes. Après cette planète, il existe un gouffre ou il faut multiplier par trois la distance au soleil pour atteindre la cinquième planète Jupiter où sont éloignement lui vaut une température de moins 150°C. Les trois autres planètes Saturne, Uranus et Neptune sont encore plus froide et ont des distances extrêmes et invite encore moins les hommes au voyage vers ces planètes. C’est pour cela que Mars est la seul qui attire les hommes à sa découverte.
Température à la surface de Mars :
Pour autant, sur Mars la température moyenne est de -53°C. Ces températures s’étendent de -128°C en hiver et +27°C en été. On peut observer des variations le même jour de plus de 50°C entre le jour et la nuit. Ces températures varient selon l’heure, le lieu et la saison. Du fait de son excentricité orbitale plus élevé que celui de la terre, les températures de l’hémisphère sud sont plus élevées de près de 30°C que celle de l’hémisphère nord.
A cause des conditions atmosphériques extrêmes de la planète, la pression et la température ne permettent pas la présence d’eau sous l’état liquide sur Mars. Elle ressemble donc à un désert très froid et de haute altitude. Toutefois des possibilités restent envisageables pour pouvoir retrouver un cycle de l’eau et pour que l’eau existe à l’état liquide.
La vie apparaîtrait impossible sur Mars sans eau, sur Terre les première forme de vie on apparut dans les océans. Sur la planète Mars, la seule forme d’eau encore disponible se situé au niveau des calottes polaires sous forme de glace. Cette eau sous forme de glace se trouve principalement au niveau du pôle Nord. En revanche, le pôle sud serait majoritairement composé de gaz carbonique gelé appelé glace sèche.
L’eau liquide a des propriétés chimiques et physiques importante et intéressantes tel que ça polarité. Elle permet donc la solvabilité des molécules organique. Elles ne sont donc pratiquement jamais apolaires. La molécule d’eau permet également d’accumuler beaucoup d’énergie sans chauffer appelé inertie thermique. L’eau permet la prolifération des êtres vivants et favorise l’association d’éléments chimiques pour former des molécules complexes tels que l’ADN ou encore les protéines. Les organisme se développent facilement car ils
sont protégé des rayonnements dangereux comme des UV et sans couche d’ozone cela n’est pas négligeable. L’eau est également le principale constituant de l’homme avec près de 65% et est une ressource essentiel pour les animaux et les végétaux car elle est un réactif indispensable à la photosynthèse.
L’eau sur Mars est également présente en très faible quantité dans l’air martien sous forme de vapeur d’eau qui se condense sous forme de givre et plus particulièrement au niveau du pôle nord. Cette vapeur d’eau forme des fins nuages de glace pourrait être la première cause d’évaporation de l’eau dans l’espace au cour du temps. Mais cette quantité est extrêmement faible par rapport à celle que Mars possédait dans le passé. Cette eau disparu soudainement pourrait se trouver sous forme de glace dans les sous-sols de la planète. De plus il ne faut pas oublié que l'eau apparaît sous différente selon la température et la pression atmosphérique. Si la pression est trop faible, alors l'eau liquide ne va pas pouvoir se former
même à une température idéal. Au contraire, si sur la planète la pression est décente comme sur la Terre alors tous les états possibles de l'eau (solide, liquide et gazeux) seront présents sur la planète.
La présence d’eau sous forme de glace figée ou de glacier sous-terrain pourrait être avéré. Suite à des preuves indirectes fournies par des scientifiques, des cratères de météorites sembleraient faire ressortir de l’eau des sous-sols de la planète Mars. Cette eau pourrait être présente en très grande quantité et pourrait être exploité pour le bien des populations futures sur Mars. Cette avancé scientifique est également dû au sonde envoyé en orbite de Mars pour prendre des photos et sur la planète pour
tester et prélevé des échantillons de terre martienne. Ces résultats montrent également la présence de microcavité ainsi que des petites particules qui pourrait être à l’origine du processus de l’origine du liquide. Des nouvelles recherches ont été faites et donc des hypothèses en sont sorties.
Des chercheurs pensent que comme la température de Mars se rapproche rarement des 0°C et reste le plus souvent négatif, des mares d’eau salé pourrait rester liquide jusqu’à -75°C environ sur la planète Mars. Mais cela reste qu’une hypothèse et reste encore a vérifié sur Mars.
La présence de nuage en quantité important même si Mars ne peut pas rivalisé avec la Terre,
montre la présence de trace de vapeur d’eau. Ces faibles trace de vapeur d’eau sous forme de nuage dans l’atmosphère est du à sa température et sa pression et ce qui explique également qu’elle soit très proche du point de saturation. On observe également à des altitudes très élevé des nuages constitués d’une importante couche CO2 glacé.
La pression atmosphérique est aussi déterminante car elle permet ou non l’habitabilité d’une planète. Sur Mars, la pression atmosphérique varie entre 0,3 et 12 hectopascals contre 1013 hectopascals pour la planète Terre. La pression de Mars est présente sur Terre mais à une altitude de 35 km et cette pression varie beaucoup selon les cycles saisonniers de Mars. Cette faible pression atmosphérique peut constituer un obstacle très important à la présence d’eau liquide et donc à la présence de vie.
Nous vous avons donc présenté toutes les caractéristiques physiques et chimiques de la planète Mars qui pourraient être utile pour une conquête future de l’homme. Alors que la découverte et l’analyse de l’atmosphère martienne son récente, on remarque déjà que de nombreuses difficultés sont présente pour que l’être humain aille vivre sur Mars tel que la saturation en dioxyde de carbone de l’atmosphère, l’absence aujourd’hui d’eau liquide. Il semble également que l’atmosphère martienne ne protège pas des ultraviolets et qu’elle soit constamment saturée de poussière. Mais des hypothèses ont été évoquées pour résoudre les potentiels problèmes à la conquête de Mars par les hommes.