Demandez à Ethan: d'où vient l'eau liquide sur les planètes gelées?

La réflectivité élevée de la surface de la lune de glace de Saturne, Encelade , indique la présence d'un grand nombre de glace en renouvellement constant, qui n'est observée sur aucune autre lune du système solaire

Le système solaire ne cesse de nous étonner, et l'une des plus grandes surprises a peut-être été le fait que la Terre n'est pas le seul monde à la surface duquel se trouve de l'eau liquide. Oui, bien sûr, parfois un peu d'eau apparaît sur Mars, mais des mondes comme la lune de Jupiter Europa, la lune de Saturne Encelade et même Pluton lointain possèdent d'énormes océans souterrains, et sur certains de ces mondes, il y a encore plus d'eau que sur Terre. Cependant, contrairement à la Terre ou même à Mars, ces mondes sont si éloignés du Soleil et il y fait si froid que même les températures les plus élevées à la surface n'atteignent pas le point de fusion de la glace. Alors, comment est stockée l'eau liquide sur eux? C'est exactement ce que notre lecteur veut savoir:

J'ai lu sur la lune de Saturne Encelade et que les scientifiques croient que des océans d'eau liquide existent sous elle sous sa croûte de glace. Cependant, j'ai également lu que la température de surface maximale est de -90 ° C. Comment cette lune peut-elle avoir de l'eau liquide? À des températures et des pressions aussi basses, Encelade ne devrait avoir que de la glace et de la vapeur d'eau, mais pas d'eau.

Commençons par le comportement de l'eau sur notre Terre.


L'eau dans trois états: liquide, solide (glace) et gazeuse (vapeur d'eau invisible dans l'air). Les nuages ​​sont une collection de gouttelettes d'eau condensées à partir de vapeur saturée en air.

Sur Terre, l'eau peut exister dans trois états: solide, liquide et gazeux, selon la température. En dessous de 0 ° C, l'eau gèle et se transforme en glace; au-dessus de ce point et en dessous de 100 ° C d'eau liquide; au-dessus de 100 ° C, l'eau existe sous forme de vapeur gazeuse. C'est ainsi qu'on nous enseigne à l'école, et pour la plupart, c'est vrai. Mais il y a certaines conditions dans lesquelles l'eau peut commencer à se comporter très différemment. Par exemple, si vous vivez à haute altitude, par exemple à Bogota (Colombie), Quito (Équateur), El Alto (Bolivie) - et plus d'un million de personnes vivent dans chacune de ces villes - alors votre eau bout à une température beaucoup plus basse .


Diagramme de phase de l'eau, indiquant divers types de glace, les états liquide et gazeux, et les conditions dans lesquelles ils se produisent. Notez que sous -22 ° C, l'eau liquide ne peut exister à aucune pression

En effet, la pression affecte à la fois le point d'ébullition et le point de congélation. Dans les profondeurs de l'espace, l'eau liquide ne peut exister sans atmosphère; il peut exister soit en phase solide soit en phase gazeuse. Mais sur Terre, sous pression réduite, l'eau bout à une température réduite, et si une pression suffisamment élevée est appliquée, la glace fond et devient liquide. Ce dernier fait souvent surprendre les gens, jusqu'à ce que vous leur demandiez de se souvenir des patins. Sans patins à glace, c'est très glissant et il est difficile pour vous de contrôler vos mouvements ou d'obtenir une friction; vos chaussures glissent sur la surface gelée de la glace. Mais avec les patins, toute la pression de votre poids est concentrée sur la lame, ce qui augmente la pression sur la glace et la fait temporairement fondre.


Les patineurs laissent des marques sur la glace, car leurs patins, glissant sur la surface, exercent une pression suffisante pour transformer la glace en eau

Il convient de considérer un autre fait: le point de congélation de l'eau varie en fonction de ce qui y est dissous. Si jamais vous mettez de la vodka dans un congélateur, vous savez qu'un mélange d'eau et d'alcool à 40% ne gèle pas à la température de congélation de l'eau, il a besoin d'une température beaucoup plus basse. Notre océan avec du sel dissous a également un point de congélation inférieur à celui de l'eau pure: environ -2 ° C à environ 4% de salinité. Par conséquent, vous pouvez abaisser la température en dessous du point de congélation de l'eau et rester avec de l'eau liquide - selon ce qu'il y a d'autre. C'est l'une des caractéristiques les plus étonnantes de Mars, où l'eau liquide pure ne devrait pas exister du tout.


Des ruisseaux d'eau sur des pentes comme celles-ci - sur le versant sud du cratère au fond du canyon Melass - grandissent d'abord progressivement puis disparaissent, se remplissant de poussière du paysage martien. On sait qu'ils sont le résultat de courants d'eau salée liquide.

Aux pressions et températures existant à la surface de Mars, il ne devrait pas y avoir physiquement d'eau liquide. Mais en raison de la forte teneur en sel de certains types de sols martiens, l'eau, se condensant à la surface, peut exister en phase liquide. L'eau qui coule sur les pentes des parois des cratères a été la première preuve directe de la présence d'eau liquide à l'extérieur de la Terre.

Mais si vous regardez encore plus loin dans le système solaire, regardez des mondes comme l'Europe, Encelade ou même Pluton - là, nous ne trouverons pas d'eau à la surface.


L'Europe, l'une des plus grandes lunes du système solaire, tourne autour de Jupiter. Sous sa surface de glace gelée se trouve un océan liquide chauffé par les forces de marée de Jupiter

Un examen attentif de ces mondes ne révèle que de la glace. Oui, c'est de la glace d'eau, qui nous donne de l'espoir, mais les températures sur ces mondes, situées plusieurs fois plus loin que la Terre par rapport au Soleil, non seulement ne s'approchent jamais de l'indicateur 0 ° C - qui est nécessaire à l'apparition d'eau liquide à la surface de la Terre - mais ils ne s'approchent même jamais de la température qui permettrait à l'eau liquide d'exister à n'importe quelle pression. Et pourtant, si sur ces mondes nous allons plus profondément sous la surface de la glace, nous nous en rapprocherons, car sous toute cette glace il y a une pression énorme.


Pluton et Charon en couleur éditée; Les images ont été obtenues à partir de la caméra de la station interplanétaire New Horizons . La surface gelée de Pluton n'est pas tout; à de grandes profondeurs, il a un océan souterrain d'eau liquide.

Il faut une atmosphère de 100 km d'épaisseur pour créer la pression atmosphérique que nous ressentons au niveau de la mer - cependant, pour doubler cette pression, vous n'avez besoin que de 10 mètres d'eau. Dans un autre monde, la glace peut facilement atteindre des milliers de mètres d'épaisseur et créer une pression énorme qui nous rapproche de la phase liquide de l'eau. Mais même s'il y a des sels dans la glace, l'eau liquide n'apparaîtra toujours pas sans un autre facteur supplémentaire: une source de chaleur. Heureusement, chacun de ces mondes a une source de chaleur: une planète compagnon massive à proximité.


"Spoutnik Plain" sur Pluton. Les caractéristiques géologiques identifiées par la station New Horizons indiquent la présence d'un océan souterrain sous la vaste et profonde croûte de glace à la surface de Pluton, qui s'étend sur toute la planète naine.

L'Europe a Jupiter, Encelade a Saturne. Pluton a la lune Charon. Toute cette trinité, combinant une grande masse et un emplacement relativement proche, a un effet de marée très grave sur ces mondes. Et ces forces ne conduisent pas seulement à de petites déformations des couches externes - elles étirent, compressent et divisent l'intérieur de ces mondes, à cause desquelles elles chauffent. Si nous prenons en compte la quantité de chaleur marémotrice et ajoutons la pression exercée par la glace et le sel existant sous les couches extérieures de glace, nous pouvons obtenir ce qui est souhaité: un océan liquide sous la surface de la glace.


Les forces de marée agissant sur la lune de Saturne Encelade sont suffisantes pour briser la croûte de glace et réchauffer l'intérieur, ce qui fait que l'océan sous-marin crache de l'eau dans l'espace à des centaines de kilomètres de haut

L'Europe montre d'énormes fissures à la surface, preuve de ces moments où la glace s'y est brisée et où de l'eau est apparue à la surface. L'océan souterrain d'Encelade est l'eau liquide la plus spectaculaire qui en jaillit et monte dans l'espace à des centaines de kilomètres au-dessus de la surface. Ces colonnes d'eau d'Encelade sont si fortes qu'elles sont responsables de la formation de l'un des anneaux de Saturne - l'anneau E. Enfin, sous la surface gelée de Pluton, qui s'est peut-être révélée être l'une des surprises les plus inattendues, il y a un océan d'eau liquide. Et s'il y a de l'eau, de la chaleur et des composés chimiques dissous, il est tout à fait possible - bien que jusqu'ici seulement hypothétique - que sous la surface de ces mondes, on puisse trouver quelque chose de plus intéressant que l'eau ordinaire.


Illustration de l'intérieur de la lune de Saturne Encelade, qui montre l'océan liquide global de l'eau, situé entre le noyau rocheux et la croûte de glace. L'épaisseur des couches n'est pas à l'échelle.

Pourrait-il y avoir de la vie dans un monde où la lumière du soleil n'atteint jamais un océan liquide qui peut servir de maison à cette vie? C'est possible, et cette hypothèse pourrait potentiellement être testée d'abord sur Encelade. La présence de geysers permet au soleil de catalyser certaines des molécules biochimiques qui peuvent donner naissance à la vie avant qu'elles ne retombent sur la surface glacée de la lune. Pendant un temps suffisamment long, suffisamment de glace peut s'accumuler au-dessus d'eux pour que la pression fasse fondre la glace - et ce processus, en principe, peut créer un cycle à long terme de l'apparition de la vie sur ce monde. Et pour le savoir, nous n'avons pas besoin de creuser ce monde ou d'y enfoncer une sonde à grande profondeur - nous avons juste besoin d'envoyer un vaisseau spatial devant l'un des geysers d'Encelade et d'en prélever un échantillon. La vie en dehors de la terre peut-elle nous être aussi facilement accessible au sein du système solaire? Peut-être que si nous avons de la chance, nous le saurons un jour.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].

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