ETUDE DE L'INTERACTION SURFACE – EXOSPHÈRE DE LA LUNE ET DE MERCURE

STUDY OF THE SURFACE-EXOSPHERE INTERACTION OF MERCURY AND THE MOON

• Auteur / Autrice : Sébastien Verkercke
• Direction : François Leblanc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : HEPPI
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines

Mots clés

Mots clés libres

Space Weathering

La Lune

Mercure

Exosphère

Régolite

Interaction surface/exosphère

The Moon

Surface/exosphere interaction

Regolith

Space Weathering

Exosphere

Mercury

Résumé

Les surfaces planétaires des objets sans atmosphère dense sont en permanence modifiées par leur environnement. Dans le cas de la Lune et de Mercure, les premiers mètres des surfaces de la Lune et de Mercure sont composés d'un régolithe, milieu très poreux, formé surtout par l'érosion des roches induite par les impacts continus des poussières et micrométéorites et chimiquement modifié par le rayonnement solaire, le vent solaire et les événements énergétiques solaires. Les atmosphères très ténues (exosphères) de la Lune et de Mercure, produites par ces différents processus physiques font parties des signatures observables de ces processus de vieillissement des surfaces planétaires [1]. Une grande partie des particules éjectées de la surface va retomber de façon balistique à la surface. Elles vont alors interagir avec la surface, éventuellement être rééjectées après avoir résidées plus ou moins longtemps à la surface, ou bien migrer plus profondément dans la surface et constituer un réservoir pour l'exosphère. Le but de la thèse sera de développer un modèle de type particulaire (Monte Carlo) du transport d'un atome dans un régolithe, en prenant en compte une structure réaliste de régolithe [2], la désorption et l'adsorption sur les grains et le mouvement dans les pores du régolithe et de coupler ce modèle à un modèle d'exosphère existant [3]. Différentes applications pourront être étudiées à l'aide de ce couplage, en fonction du déroulement de la thèse : 1) Effet des temps de résidences finis mais non nuls des atomes de sodium et de potassium sur la structure 3D des exosphères de la Lune et de Mercure [4], 2) Déposition des ions H+ et He++ du vent solaire dans un régolithe, formation de H2, H2O et rétrodiffusion dans l'exosphère [5, 6], 3) Temps de réponse de différentes espèces exosphériques à des événements solaires (flare, CMEs) et étude de l'effet des propriétés du régolithe sur ce temps de réponse [7]. [1] Stern, Rev. Geophys., .37, 453-491, 1999 [2] Kloss et al., Prog. Comput. Fluid. Dyn., 12, 140-152, 2012 [3] Leblanc et al., Icarus, 223, 963-974, 2013 [4] Sarantos et Tsavachidis, GRL, 47, 2020 [5] Stern et al., Icarus, 226, 1210-1213, 2013 [6] Honnibal et al., Nat. Astron., 2020 [7] Raines et al, LPI contrib 2047, 2018

The surfaces of planetary objects without dense atmosphere are permanently changed by their environment. In the case of the Moon and Mercury, the first meters of the Moon and Mercury surfaces are composed of regolith, a highly porous medium, formed from the erosion of the rocks induced by the permanent bombardment by dust and meteorites and chemically weathered by the solar radiation, the solar wind and solar energetic events. The very thin atmospheres (exospheres) of the Moon and Mercury, produced by these mechanisms of interaction with the surface, is one the observable signatures of these processes of planetary surface aging [1]. A large part of the ejecta from the surface will go back along ballistic trajectory to the surface. They will then interact with the surface, eventually be reejected after some time in the surface or will migrate deeper inside the regolith and gradually build a reservoir of exospheric material trapped inside the regolith. The goal of this PhD will be to develop a test-particle model (Monte Carlo type) to describe the transport of the exospheric particles inside the regolith, taking into account a realistic structure of the regolith [2], all mechanisms of desorption/absorption on the regolith grains and the motion of these particles inside the pores of the regolith. This model will be then coupled to an existing model of the exosphere [3]. Various applications are foreseen to be done with this model, following the progress during this PhD: 1) the effect of the residence times of the sodium and potassium atoms inside the regolith on the 3D spatial distribution of the exosphere of Mercury and the Moon [4], 2) the implantation of H+ and He++ solar wind ions in the regolith, the formation of H2 and H2O and their diffusion back into the exosphere [5, 6], 3) the reaction time of various exospheric species to solar energetic events (flare and CME) and the study of impact of the the regolith properties on this reaction time [7]. [1] Stern, Rev. Geophys., .37, 453-491, 1999 [2] Kloss et al., Prog. Comput. Fluid. Dyn., 12, 140-152, 2012 [3] Leblanc et al., Icarus, 223, 963-974, 2013 [4] Sarantos et Tsavachidis, GRL, 47, 2020 [5] Stern et al., Icarus, 226, 1210-1213, 2013 [6] Honnibal et al., Nat. Astron., 2020 [7] Raines et al, LPI contrib 2047, 2018