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Accueil > Recherche > Thèses / HDR > Thèses soutenues > 2018

05/11/2018 - SALVADOR Arnaud

Sujet : « Les premiers pas de la Tectonique des Plaques : modèles géodynamiques en interaction avec l’atmosphère ».

  • Directrice de thèse : Anne Davaille (FAST) & co-encadrante : Hélène Massol (GEOPS).
  • Financement : MESR ordinaire.

Thèse soutenue le 05 novembre 2018 devant le jury composé de :
- Doris Breuer (DLR Berlin), examinatrice
- François Costard (GEOPS), examinateur
- Henri Samuel (IPGP), examinateur
- Gaël Choblet (LPG Nantes), rapporteur
- Franck Selsis (LAB Bordeaux), rapporteur
- Anne Davaille (FAST), directrice de thèse
- Hélène Massol (GEOPS), co-directrice de thèse

Résumé :

Les planètes rocheuses achèvent leur formation dans des processus collisionnels très énergétiques. L’énergie libérée lors des impacts majeurs a vraisemblablement fondu la surface des planètes, formant ainsi un océan de roches en fusion. Le refroidissement et la solidification de cet « océan de magma » conditionnent la différentiation chimique du manteau et la distribution des éléments volatils entre les différents réservoirs de la planète. C’est lors de cette phase évolutive, commune aux planètes rocheuses, que l’atmosphère est formée par dégazage des volatils et que les conditions initiales de l’évolution future des planètes se mettent en place. C’est ainsi une phase évolutive de première importance pour comprendre l’apparition des océans d’eau primitifs, le démarrage de la convection thermique du manteau et l’actuelle diversité des planètes telluriques.

Un modèle numérique couplant l’évolution thermique de l’océan de magma en interaction avec l’atmosphère a été utilisé pour étudier le refroidissement de la planète et les conditions de surface résultantes. Nous avons investigué l’influence du contenu initial en volatil combiné avec la distance orbitale de la planète sur la formation des premiers océans d’eau à la fin du refroidissement, pour des atmosphères avec et sans nuages. Cette approche a ensuite été étendue aux planètes rocheuses extra-solaires orbitant des étoiles froides.

Le contenu relatif en H2O et CO2 de l’atmosphère peut empêcher la formation d’océans, menant à des planètes ayant une surface solide sans océans d’eau. Des lois d’échelle prédisent la formation d’océans en fonction du contenu initial en volatil. Une épaisse couche nuageuse diminue la température de surface et maintient des conditions clémentes plus proche de l’étoile rendant ainsi possible la formation d’océan sur Vénus. Ces conditions de surface tempérées pourraient alors être favorable à l’émergence de la vie et suggèrent qu’en fonction de la couverture nuageuse, la Terre et Vénus pourraient être dans un état relativement similaire à la fin de la phase océan de magma, contrairement à ce qui est généralement admis. Pour les étoiles froides, la formation d’océans d’eau n’est possible qu’à des flux stellaires plus faibles que dans notre système solaire, correspondant à des distances étoile-planète relativement plus importantes. L’effet refroidissant des nuages est atténué pour les étoiles froides autour desquelles la bordure intérieure de la zone d’habitabilité tend à être indépendante de la couverture nuageuse.

Abstract :

At the end of the accretion phase, rocky planets grow through high energetic impact processes. Combined with other heat sources, they most likely melt the surface of the planets, forming an ocean of molten rocks. The cooling and solidification of this early so-called magma ocean strongly influences the earliest compositional differentiation and volatile distribution of the planet. Indeed, this common early evolution stage of rocky planets witnesses the degassing of the atmosphere and sets the initial conditions for the long-term evolution of the planets. It is thus of major importance in understanding the formation of the primitive water ocean, the onset of thermally driven mantle convection and the diversity of observed terrestrial planets.

Using a coupled magma ocean-atmosphere thermal evolution model, we investigated the cooling of the planet and the surface conditions reached at the end of this early stage. We studied how the initial volatile content and the distance from the star influence the formation of a water ocean at the end of the cooling for both cloud-free and cloudy atmospheres. We extended this approach to planets orbiting colder stars than the Sun.

The relative amount of H2O and CO2 in the atmosphere can preclude water ocean formation, leading to solid surface planets without water ocean. Scaling laws are derived to predict the formation of a water ocean as a function of the initial volatile content. The presence of a thick cloud cover extends clement surface conditions close to the star and allows for water ocean formation on early Venus. Such temperate conditions might be suitable for the emergence of life and suggest that, depending on the cloud cover, the Earth and Venus might not be as different as previously thought at the end of the magma ocean stage. For stars colder than the Sun, water ocean formation is shifted to farther star distances. The cooling effect of clouds becomes less efficient for cold stars whose inner edge of the temperate zone tends to be independent of the cloud cover.