Rôle d’un océan global et des impacts cométaires sur la formation et l’évolution d’une atmosphère sur Titan primitif

Role of a global ocean and cometary impacts on the formation and evolution of an atmosphere on early Titan

• Auteur / Autrice : Nadejda Marounina
• Direction : Olivier Grasset, Gabriel J. R. Tobie, Sabrina Carpy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l’univers, planétologie
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Université Nantes-Angers-Le Mans - COMUE (2009-2015)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Planétologie et Géosciences (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bourgeois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Grasset, Gabriel J. R. Tobie, Sabrina Carpy, Olivier Bourgeois, Nathalie Carrasco, Sébastien Charnoz, Franck Selsis, Daniel Cordier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Carrasco, Sébastien Charnoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction mer-atmosphère

Équilibre liquide-vapeur

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Mots clés libres

Late heavy bombardment (LHB)

Résumé

Les processus ayant eu lieu pendant l'histoire primitive de Titan ont joué un rôle déterminant sur l'évolution de la taille et de la composition de son atmosphère jusqu'à son état actuel. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus précisément à la formation de son atmosphère à la fin de l'accrétion, lorsque la surface de Titan était fondue, et à son évolution pendant le Grand Bombardement Tardif (le Late Heavy Bombardment ou LHB). En modélisant l'apport et la perte de l'atmosphère par impacts, nous montrons qu'il est difficile de générer une atmosphère par impact sur Titan au cours du LHB. En outre, l'érosion atmosphérique provoquée par les impacts successifs lors du LHB implique que l'atmosphère devait être au moins 5 fois plus massive que celle d'aujourd'hui avant le LHB pour conserver une masse équivalente à la masse actuelle de l'atmosphère de Titan à la fin de cet évènement. Pour comprendre comment une atmosphère massive aurait pu se former par le dégazage et la fusion de la glace lors de la phase finale de l'accrétion, nous avons modélisé les équilibres vapeur-liquide pour les systèmes CO2-NH3-H2O et CH4- CO2-NH3-H2O, représentatifs de la composition primordiale de Titan. Le modèle des échanges océan - atmosphère a également été appliqué aux exoplanètes riches en eau ayant une masse allant jusqu'à 5 fois la masse terrestre. Nous montrons que la pression partielle de CO2 dans l'atmosphère est principalement déterminée par le rapport de concentrations de CO2/NH3 pour un rapport de concentrations de CO2/NH3 < 1, la pression partielle de CO2 dans l'atmosphère restant faible.

Events occurred during Titan's primitive history constrained the later evolution of its atmosphere, leading to its present-day mass and a N2-rich composition. The purpose of this thesis is to investigate the fate of Titan's atmosphere during two specific epochs of Titan's primitive history: the formation of a primitive atmosphere at the end of the accretion and its the evolution by impact during the Late Heavy Bombardment (LHB) event. Firstly, we show that the emergence by impact of a N2-dominated atmosphere during the LHB is improbable. Indeed, the atmospheric erosion by impact is a dominating mechanism during the LHB and pre-LHB atmospheres should be at least 5 times more massive than at present, in order to sustain an atmosphere equivalent to the present-day one. In a second time, we investigate the emergence of the primitive atmosphere on Titan after the formation of the satellite, when the impact heating was strong enough to melt the icy surface of the satellite and form a global ocean in contact with the atmosphere. In order to estimate the size and chemical composition of this atmosphere, we model the vapor-liquid equilibrium for the CO2-NH3-H2O and CH4-CO2-NH3-H2O systems that are representative of Titan's primordial composition. This model is also applied to the water-rich exoplanets up to 5 terrestrial masses, where similar configuration are likely to be found. Our calculations show that if the ratio of concentrations NH3/CO2 > 1 in the ocean, CO2 partial pressures in the atmospheres remain low.