Bioastronomie - Terraforming de Mars - Fabrication d'une atmosphère martienne (II)
http://www.astrosurf.com/luxorion/mars-terraforming2.htm
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Terraforming de Mars Fabrication d'une atmosphère martienne (II) Nous devons tout d'abord réaliser l'inventaire de ce qui existe sur Mars. Mais que faut-il pour "construire" une atmosphère et transformer une planète ? A ce jour seuls les héros de "Star Trek" en savent quelque chose ! Nous devons donc estimer les besoins comme on effectue un sondage à propos d'un sujet que l'on ne maîtrise pas totalement. On peut évaluer la quantité de carbone, d'azote et d'eau nécessaires à la formation d'une atmosphère constituée majoritairement de gaz carbonique. L'azote et l'eau existent bien sur Mars mais en faible quantité. Si leur concentration était plus élevée, le projet sera viable. Mais il y a un sérieux hiatus dans notre projet. |
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Brumes matinales au-dessus de Valles Marineris. Document Kees Veenenbos. |
Aujourd'hui l'atmosphère de Mars est tellement ténue qu'elle ne peut plus supporter une biosphère. Que peut-on faire ? Les chercheurs pensent qu'il existe encore beaucoup de gaz emprisonnés dans l'écorce de Mars ainsi que dans les calottes polaires. On y a décelé des nitrates, des carbonates, du gaz carbonique et même de l'eau. Du coup notre projet reprend vie.
Libérez les gaz !
Quels gaz utiliser ? Selon les modèles climatiques développés par McKay, Zubrin et Fogg, on peut envisager utiliser des gaz à effet de serre tels que la vapeur d'eau, l'ammoniaque, le gaz carbonique et les perfluorocarbones sur Mars. Et oui, il faudra "polluer" Mars pour espérer lui donner une atmosphère respirable !
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En complément, selon la quantité de chaleur absorbée et réfléchie par l'atmosphère martienne, l'albédo et l'insolation peuvent être augmentés ce qui entrainera une augmentation de l'effet de serre. Etant donné que Mars a piégé du gaz carbonique dans les glaces polaires et dans les roches de surface (régolite), ces réserves peuvent être dégazées et en se libérant dans l'atmosphère ce gaz contribuerait à réchauffer le climat. Les calculs actuels sont fondés sur des modèles unidimensionnels du climat et ne tiennent pas compte du temps. Seul facteur considéré, les zones habitables se trouvent à des latitudes particulières (polaire ou équatoriale) où la température doit s'élever au-dessus du seuil de congélation de l'eau (0°C). Partant d'une pression moyenne martienne 100 fois inférieure à celle de la Terre (6 mb contre ~1 bar), nous devons fabriquer une atmosphère au moins deux à trois fois plus dense. |
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Processus de terraformation de Mars. Document U.Purdue adapté par l'auteur. |
Pour y parvenir plusieurs facteurs et ingrédients doivent être pris en considération :
- une couche dense de gaz carbonique (> 1 bar) n'est pas envisagée. En effet, il est difficile de concevoir une technique permettant d'épaissir à ce point l'atmosphère martienne.
- de petits apports de perfluorocarbones (>1 microbar de CFC) permettrait d'obtenir une température positive en haute altitude et dans les régions polaires.
- une rétroaction positive apparaîtra suite au dégazage à mesure que la température s'élevera, phénomène qui déclenchera la production d'encore plus de gaz à effet de serre. Ce principe permet de réduire la quantité de terraforming d'un ou deux ordres de grandeur (un facteur 100x) comparé à une planète ne disposant pas de réserves de gaz piégée dans le sol ou la glace.
- la condition d'équilibre de ce système dépend de l'augmentation articielle de la chaleur. En modifiant le degré d'insolation de 10% au moyen de miroirs placés sur orbite, on peut obtenir un effet durable sur l'atmosphère.
- l'apport d'oxygène peut s'obtenir de manière naturelle en déversant des cyanobactéries dans l'atmosphère. Certaines espèces sont résistantes et pourraient survivre sur le sol martien. L'alternative consiste à simuler la photosynthèse dans des usines productrices d'oxygène.
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Conditions initiales Pour réaliser ce projet plusieurs conditions doivent être remplies : - Trouver les matières premières - Trouver des gaz à effet de serre efficaces et stables à long terme Il faut que les gaz dont on a besoin soient disponibles sur Mars et que l'on puisse les exploiter à moindre frais. Le soufre, le fluor et le carbone sont disponibles. L'azote l'est beaucoup moins et il est relativement difficile d'exploiter l'hydrogène. Bref, seuls le soufre, le chlore et le fluor pourront être extraits du sol martien. Le deuxième critère est que ce gaz produise un bon effet de serre. Ici le choix ne manque pas. Nous en reparlerons. Et le troisième critère a considérer est que ce gaz agisse longtemps dans l'atmosphère afin que son action soit durable. |
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Le terraforming a commencé. Traces d'humidité dans Valles Marineris et présence des premiers nuages d'altitude. Document T.Lombry |
Il est impératif que ce gaz dispose de molécules stables fortements liées entre elles afin de résister aux rayons UV. Le tétrachlorure de carbone a une durée de vie estimée à environ 500 ans dans l'atmosphère de Mars. Pour qu'il agisse efficacement dans ce délai il faut pouvoir le libérer rapidement. Si on libère suffisamment de gaz carbonique des glaces polaires ou du régolite, on peut arrêter sa fabrication et Mars restera chaude, préservée par sa relative épaisse atmosphère. Mais si on se contente d'une faible concentration de gaz carbonique compatible avec la respiration humaine, Mars restera trop froide. Fabriquer une atmosphère d'oxygène est impossible car elle ne sera pas assez chaude car Mars est trop éloignée du Soleil. Il faudra y ajouter des gaz à effet de serre jusqu'à des niveaux toxiques pour l'homme.
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Cet insert a été notamment publié en août 2005 dans les e-magazines NASA Astrobiology Magazine, RedOrbit, Space Daily, PhysOrg et AstroSETI
sous le titre "Mars, the Blue Ecosynthesis".
Quelle quantité de gaz pourrait-on extraire du sol martien ? Les estimations actuelles ne s'accordent pas sur un chiffre précis et varient énormément d'une étude à l'autre car trop de théories existent encore concernant l'histoire géologique et pétrologique de Mars. Très peu de sondages ont été effectués in situ et on a creusé le sol martien sur une profondeur d'à peine 15 cm, de loin insuffisant pour évaluer sa composition. A priori Mars aurait pu conserver suffisamment de matériaux volatils même si en vertu de sa petite taille et sa faible gravité la majorité de ces gaz se sont échappés dans l'espace. Les chercheurs pensent qu'il existe probablement assez d'eau emprisonnée dans la glace, d'azote emprisonnée sous forme de nitrates et de carbone emprisonné sous forme de carbonates, autant d'éléments qui existent peut-être également dans le régolite. En conclusion Mars dispose probalement des bons ingrédients pour créer une nouvelle biosphère.
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Comment procéder ?
Maintenant venons-en à la question suivante, comment procéder ? Comment peut-on réchauffer une atmosphère sans provoquer un effet de serre cataclysmique ? Les géophysiciens ont découvert qu'il existait beaucoup de gaz des milliers de fois plus efficaces que le gaz carbonique pour réchauffer une planète. Et tous ont une longue durée de vie dans l'atmosphère et peuvent ainsi agir durant très longtemps. Bon nombre d'entre eux contiennent du chlore, du brome et du fluor, dont la réactivité est cent fois supérieure à celle du gaz carbonique.
Si on considère ne fut-ce qu'une augmentation de la température d'une partie par milliard, la réaction se déclenche. Avec une partie par million la réaction est mille fois plus importante. Mais le changement d'équilibre qui en résulte n'est pas mille fois plus élevé mais simplement sa racine carrée, ce qui représente déjà un facteur 30. Avec une partie par million nous obtenons une élévation de la température sur Mars de l'ordre de 10° en chauffant un seul de ces gaz. C'est un effet important pour une si faible concentration. Malheureusement certains de ces gaz ont des effets secondaires indésirables. Tel est le cas du chlore. Le chlore est connu pour sa faculté à détruire l'ozone, or sur Mars nous avons besoin de la couche d'ozone pour nous protéger des rayons ultraviolets solaires. Sans sa protection en l'espace de quelques générations toutes les formes de vie seront condamnées, ayant contractées des cancers de la peau ou des yeux. En fait sur aucune planète la vie ne pourrait survivre sans la couche d'ozone. On ne peut donc pas utiliser le chlore pour cette raison. Par contre nous pouvons utiliser des composés purs du fluor tel le perfluorocarbore par exemple. On peut imaginer de l'extraire et fabriquer un mélange qui maintiendrait Mars sous une atmosphère chaude.
Comme sur Terre, ces gaz sont dit à effet de serre car ils empêchent le rayonnement infrarouge de quitter l'atmosphère; une fois que la chaleur (la lumière du Soleil) a pénétré sous la couche d'ozone, le piège se referme : même si le rayonnement se réfléchit sur le sol il reste prisonnier de l'atmosphère et contribue à la réchauffer. Ces gaz à effet de serre ont des raies d'absorption très importantes dont on peut tirer profit pour réchauffer l'atmosphère de Mars. Il existe toutefois une "fenêtre" par laquelle ces gaz peuvent s'échapper dans l'espace. Cette "fenêtre" se trouve dans la région spectrale infrarouge comprise entre 80 et 120 nm (entre 6 et 10 microns). C'est de cette manière que la Terre se refroidit malgré le fait qu'elle produise également sa propre chaleur.
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Quelle quantité de gaz à effet de serre faudrait-il ajouter pour rendre Mars plus chaud ? Il faut en principe atteindre un réchauffement de 20 à 30° pour que le climat devienne supportable, même s'il resterait froid la majorité du temps. Pour y parvenir il faut chauffer l'atmosphère suffisamment fort pour déclencher la fonte des calottes polaires et libérer le gaz carbonique. Si ce dernier n'est pas un gaz à effet de serre à haut rendement, une fois libéré il le restera et allié aux autres gaz nous pourrons créer une atmosphère plus épaisse. Et une atmosphère plus épaisse libérera en rétroaction encore plus de gaz carbonique. Ceci c'est la théorique.
Etant donné que nous avons besoin d'environ une partie par million pour déclencher le réchauffement, on peut estimer la masse de gaz nécessaire à cette opération à un milliard de tonnes. Si le gaz carbonique à une durée de vie de 500 ans il faut injecter un peu plus de 5 tonnes de gaz carbonique chaque jour dans l'atmosphère martienne, soit quelques millions de tonnes par an pour maintenir l'effet de serre. A l'échelle industrielle ce n'est pas une grande quantité.
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Mars est en moyenne 1.5 fois plus éloignée du Soleil que la Terre et reçoit donc deux fois moins de lumière du Soleil. Si nous calculons combien de temps il faudrait pour que ces gaz réchauffent la planète, en estimant que 10% seulement de l'énergie solaire incidente serait exploitable (contre 30% sur Terre), nous arrivons à un délai de 50 à 100 ans. C'est vraiment un délai très court, compatible avec nos programmes spatiaux. Une fois que le processus est déclenché comment peut-on l'arrêter ? En fait il ne s'arrêtera pas tant que toute la masse de gaz carbonique ne sera pas libérée de la glace et du régolite. Cela ne fonctionne donc pas comme un barrage que nous pourrions ouvrir ou fermer à volonter mais plutôt comme un réservoir qui cède sous la pression et se viderait totalement. |
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Survol en ULM des champs de dunes inondés par la fonte des glaces. Illustration de Kandis Elliot. |
Le temps qu'il faudra pour que l'air devienne respirable dépend des mécanismes mis en place ("usine" à oxygène biologique ou articielle) et de leur efficacité. Tenant compte du rendement de la photosynthèse sur Terre, l'échelle de temps est d'environ 100000 ans.
Mais nous ignorons de combien de degrés Mars pourrait se réchauffer. Les meilleures évaluations estiment qu'il existe environ 100 à 200 millibars de gaz carbonique prisonniés du régolite ou des glaces des calottes polaires. Cela ne permettrait pas totalement de réchauffer Mars mais suffisamment pour lui donner un climat similaire à celui de l'Antarctique, passant par des époques où il est possible de travailler à l'air libre en vêtements légers. Ce sont des conditions assez confortables comparées à ce qu'endure Mars aujourd'hui où nous observons durant la nuit des températures qui peuvent descendent à -60° et jusque -150°C en hiver. -20°C est beaucoup mieux que -60°C ! On peut même trouver sur Mars des endroits proches de l'équateur qui atteignent +27°C en été. Ajoutez-y 30°C et on obtient un climat tropical : imaginez le climat de Baja Californie ou de Dubai dans une colonie martienne... ! Bien sûr dans les régions nordiques de Mars le climat sera plus proche de celui du Groenland ou de Scandinavie, mais -20°C est déjà un très beau progrès.
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Mesure de la température à la surface de Mars Calcul de la température actuelle en surface en fonction de la pression de gaz carbonique : Tmoy = S0.25Tc + 20(1 + S)P0.5 avec Tmoy = température moyenne en K S = constante solaire = 1 Tc = température du corps noir, soit 213.5 K P = pression de la vapeur d'eau en bar Cette équation nous donne aujourd'hui une température moyenne de surface de -54° C. En assumant un transport de la chaleur régulier, on peut déterminer la température aux pôles : Tpôle = Tmoy - DT/(1 + 5P) avec Tpôle = température aux pôles en K DT = différence entre la température moyenne et la température aux pôles en absence d'atmosphère (= 75 K pour S=1). En première approximation on observe que :
Tmax = Téquateur = 1.1 Tmoy En plein été à l'équateur la température atteint +27°C. La distribution de la température globale vaut : Tq = Tmax - (Tmax - Tpôle) sin1.5q avec q, la valeur absolue de la latitude nord ou sud. Mais étant donné que la pression partielle de gaz carbonique dépend également de la température, la pression de vapeur pour le gaz carbonique obéit à la relation : P = 1,23 x 107 {exp(-3170/Tpole)} Cette équation donne la pression de gaz carbonique tant qu'il existe dans l'atmosphère et dans les glaces polaires. Mais du fait que la température aux pôles augmentera, à un certain moment la pression de vapeur d'eau sera plus grande que la quantité pouvant être produite par les réserves polaires (entre 50 et 150 mb). Ce jour là les calottes polaires disparaîtront et l'atmosphère sera uniquement alimentée par le gaz carbonique emprisonné dans le régolite.
La relation entre les réserves de gaz prisonnières du régolite, celles présentes dans l'atmosphère et la température n'est pas connue avec précision. On suppose qu'elle est proche de la forme : P = {C.Maexp(T/Td)}1/g avec C, une constante de normalisation choisie de manière à ce que les autres variables de l'équation satisfassent les conditions connues sur Mars Ma, la quantité de gaz absorbé en bar, g = 0.275 Td, est l'énergie caractéristique requise pour libérer le gaz emprisonné dans le sol. Cette value est inconnue mais oscille entre 10 et 60 K. Cette théorie est discutée en détail par Robert Zubrin, Président de la Mars Society, dans son rapport Technological Requirements for Terraforming Mars. |
Il est peu probable que nous puissions améliorer ni même empirer la situation; nous sommes loin de la Terre au sens propre comme au figuré, et plus encore du Soleil. En effet, la zone habitable autour du Soleil atteint ses limites avec Mars. Là où il y a deux bars de pressions de gaz carbonique on pourrait la porter à trois bars, ou même quatre bars comme sur Vénus sans subir ses désavantages. Mais nous ne savons pas à l'heure actuelle quelle est la concentration ni la quantité de gaz carbonique disponible sur Mars.
Prochain chapitre