5.1 Exosphère
L’exosphère est une atmosphère si mince que ses quelques atomes ou molécules ont peu de chances d’entrer en collision les uns avec les autres. Dans l’atmosphère terrestre, l’exosphère est la partie la plus élevée de l’atmosphère où la densité des molécules de gaz est très faible. Sur Mercure, l’exosphère est la seule atmosphère, de sorte que la planète possède ce que l’on appelle une exosphère limitée à la surface, dont les molécules de gaz entrent en collision avec la surface (ou s’échappent de la planète) plutôt que d’entrer en collision les unes avec les autres.
Une méthode principale par laquelle l’exosphère de Mercure est étudiée est l’observation de l’émission résonante des atomes, dans laquelle les photons solaires d’énergies ou de longueurs d’onde spécifiques sont absorbés puis réémis à la même longueur d’onde. Comme les combinaisons d’énergies auxquelles ces émissions se produisent varient selon les éléments, les spectres d’émission observés fournissent des empreintes spectrales uniques pour les éléments présents. Le spectromètre ultraviolet de Mariner 10 a découvert l’exosphère de Mercure en observant l’émission des atomes d’hydrogène (H) et d’hélium (He). Les mesures de Mariner 10 impliquent une pression de surface 1 trillion de fois plus faible que celle de l’atmosphère terrestre. Près d’une décennie après les survols de Mariner 10, les progrès des télescopes et des instruments ont permis de découvrir du sodium (Na) et du potassium (K) dans l’exosphère ; le calcium (Ca) a été détecté en 2000. MESSENGER a ajouté le magnésium (Mg) aux éléments connus de l’exosphère lors de son deuxième survol.
Contrairement aux atmosphères plus denses de la Terre, de Vénus et de Mars, le contenu de l’exosphère de Mercure est transitoire et doit être continuellement renouvelé. Si les processus sources de l’exosphère de Mercure s’arrêtaient soudainement, l’exosphère se dissiperait en seulement 2 à 3 jours. Contrairement aux atmosphères des autres planètes terrestres, l’exosphère de Mercure est presque entièrement composée d’atomes plutôt que de molécules, ce qui résulte principalement de la manière dont l’exosphère est générée et maintenue. Toute molécule présente dans l’exosphère est rapidement photodissociée (c’est-à-dire brisée) par la lumière du soleil, qui est intense sur Mercure en raison de sa proximité du Soleil et de l’absence d’une épaisse atmosphère supérieure pour absorber la lumière du soleil.
L’exosphère de Mercure provient de la surface de la planète, en partie de matériaux natifs de Mercure, en partie de matériaux implantés à la surface de Mercure par le flux de particules chargées en provenance du Soleil connu sous le nom de vent solaire, et en partie des impacts de comètes et de météoroïdes. La génération et le maintien de l’exosphère de Mercure sont résumés dans la figure 13.3. La première des trois sources principales d’atomes exosphériques est la lumière solaire qui frappe la surface, libérant de la matière de l’une des deux manières suivantes. La désorption stimulée par les photons, ou DSP, se produit lorsque les photons solaires frappent la surface et libèrent leur énergie, brisant les liaisons qui maintiennent les matériaux de surface ensemble et éjectant les atomes de la surface. La désorption thermique, ou évaporation, se produit lorsque la lumière du soleil chauffe la surface et que les matériaux volatils faiblement liés sont éliminés par ébullition. Ces deux processus sont des processus à faible énergie, de sorte que les trajectoires des atomes éjectés ne les portent pas très haut ou très loin.
FIGURE 13.3. Illustration schématique montrant les processus de source et de perte responsables de la génération et du maintien de l’exosphère de Mercure.
La deuxième source majeure d’atomes exosphériques est un processus connu sous le nom de pulvérisation, qui se produit lorsque des ions provenant du vent solaire ou de la magnétosphère de Mercure impactent la surface. L’énergie de ces impacts est plus élevée que dans le cas de la DSP ou de la désorption thermique, de sorte que les atomes éjectés par la pulvérisation ont des vitesses plus importantes et leurs trajectoires les portent plus haut et plus loin que les atomes libérés par des processus thermiques à faible énergie. La pulvérisation ionique peut fracturer la surface à l’échelle atomique, libérant des espèces volatiles telles que le Na. Cela conduit à une libération de matière plus importante par PSD qu’en l’absence de pulvérisation ionique, par un processus connu sous le nom de PSD renforcé par les ions.
Les impacts de météoroïdes sont la troisième source principale de matière exosphérique. Bien que les grands impacts libèrent beaucoup de matière, ils sont rares et un afflux de petites particules de poussière de l’espace interplanétaire qui entrent en collision avec la surface de Mercure est plus responsable du maintien quotidien de l’exosphère. L’énergie de ces collisions vaporise à la fois les particules de poussière et une partie de la surface, libérant des atomes de haute énergie à haute altitude.
Les atomes libérés à faible vitesse suivent des trajectoires balistiques sous l’influence de la gravité. Comme ils ne vont pas très haut, ces atomes retombent pour la plupart à la surface où ils rebondissent ou se collent. Certains atomes subissent de multiples rebonds avant de se coller (connus sous le nom de sauts balistiques), et redistribuent ainsi la matière volatile à la surface de Mercure, la transférant progressivement des régions équatoriales, plus chaudes, vers les régions polaires, plus froides.
Les atomes libérés à grande vitesse suivent également des trajectoires balistiques ; cependant, le temps de résidence plus long de ces atomes dans l’exosphère permet à deux autres processus de les affecter. Le premier est la pression du rayonnement solaire, dans lequel les photons solaires poussent les atomes dans la direction opposée au soleil. Si la pression de radiation solaire les pousse suffisamment loin, les atomes ne retourneront pas à la surface mais seront poussés « derrière » la planète pour faire partie d’une queue neutre, semblable à une comète. Les atomes poussés dans la queue s’échapperont de la planète à moins d’être influencés par le deuxième processus qui redirige les atomes exosphériques, l’ionisation des photons solaires qui frappent les atomes (photoionisation), et l’élimination des électrons. Les atomes chargés positivement seront captés par le champ magnétique de Mercure et rapidement accélérés vers ou à l’écart de la planète, selon l’orientation des lignes du champ magnétique local. Les atomes accélérés vers la planète ont un impact sur la surface et peuvent provoquer une pulvérisation ; ceux qui sont accélérés loin de la planète sont perdus dans l’espace interplanétaire. Ainsi, les atomes de l’exosphère de Mercure finissent par retourner à la surface ou sont perdus dans l’espace, ce qui explique pourquoi l’exosphère se dissiperait si rapidement si elle n’était pas réapprovisionnée.
Les processus qui libèrent les atomes dans l’exosphère de Mercure et qui les affectent ensuite diffèrent en ampleur selon l’élément. Ca et Mg sont des éléments réfractaires (ayant des liaisons chimiques fortes nécessitant des énergies plus élevées pour les libérer de la surface), tandis que Na est un élément volatil (avec des liaisons faibles rompues à des énergies plus faibles). En même temps, les atomes de Ca ont une durée de vie contre la photoionisation un facteur 10 plus petit que pour les atomes de Na et 100 plus petit que pour les atomes de Mg. Ainsi, les atomes neutres de Ca ne survivent pas longtemps dans l’exosphère de Mercure (typiquement 1 h), alors que les atomes de Mg ont une durée de vie beaucoup plus longue (typiquement 2-3 jours). En outre, les effets de la pression de radiation varient avec chaque élément, Na étant fortement affecté, Ca plus faiblement, et Mg pratiquement pas. La pression de radiation est également proportionnelle au flux solaire, et le spectre du Soleil contient des absorptions profondes, connues sous le nom de lignes de Fraunhofer, aux longueurs d’onde de la plupart des émissions de résonance. Dans les parties de l’orbite elliptique de Mercure où la planète se rapproche ou s’éloigne du Soleil, le décalage Doppler entre le Soleil et Mercure éloigne les émissions de résonance exosphériques des lignes de Fraunhofer, ce qui augmente la pression de rayonnement. Ce décalage Doppler crée des « saisons » dans l’exosphère, lorsque Mercure tourne autour du Soleil. MESSENGER a clairement vu ces variations saisonnières lors de ses survols de Mercure lorsqu’il a observé l’exosphère à distance (Figure 13.4).
FIGURE 13.4. Illustration de la variation « saisonnière » de la queue de sodium neutre de Mercure.
Au moment du deuxième survol de MESSENGER, la queue était bien développée, alors qu’elle était effectivement « absente » lors du troisième survol de MESSENGER. (Les espaces noirs dans l’image du deuxième survol sont des lacunes dans les données.) La variation de la queue de sodium est liée aux variations de la pression du rayonnement solaire le long de l’orbite de Mercure, entraînée par le décalage Doppler du spectre solaire. Les simulations du modèle (à gauche) montrent comment la queue devrait varier sur une orbite autour du Soleil.
Ces effets variables sur différents éléments conduisent à des distributions différentes dans l’exosphère de Mercure. Le sodium est vu partout dans l’exosphère de Mercure, une conséquence de sa nature volatile et de sa libération relativement facile depuis la surface. Comme la pression de radiation solaire a un effet important sur le Na, il est aussi le principal constituant de la queue de Mercure et a été observé aussi loin de Mercure que 2 millions de miles. Parfois, il y a tellement de Na dans la queue qu’un observateur du côté nocturne de Mercure peut voir une teinte jaune-orange dans le ciel nocturne : l’intensité de l’émission de Na, à la même longueur d’onde que les lampadaires à vapeur de Na, est similaire en force à une aurore modérée sur Terre. La distribution de Na est principalement symétrique autour de la ligne Soleil-Mercure, ce qui indique qu’il a une grande source de DSP ; cependant, il y a souvent des rehaussements locaux dus à d’autres processus, et la distribution en altitude de Na présente un profil distinct à deux composantes, ce qui est cohérent avec sa libération à la fois par des processus à faible énergie et à haute énergie.
Le calcium, en revanche, a une distribution très différente. Les observations de MESSENGER révèlent des profils d’altitude avec uniquement une composante à haute énergie ; elles montrent également une distribution persistante et fortement asymétrique autour de la ligne Soleil-Mercure, avec des densités maximales près de l’équateur à l’aube. Il existe plusieurs possibilités pour expliquer la différence entre la densité de Ca et de Na avec l’heure du jour. Il peut y avoir plus d’impacts de météorites du côté de l’aube, qui est le côté d’attaque de Mercure lorsqu’elle traverse la poussière du système solaire interne. Alternativement, il peut y avoir des différences dans la pulvérisation et la photodissociation avec l’heure du jour qui affectent les deux éléments différemment.
Avant MESSENGER, on avait prédit que Mg faisait partie de l’exosphère de Mercure, mais il n’a pas été découvert avant le deuxième survol de MESSENGER. Mg a une distribution qui contraste avec celle de Na et Ca. La distribution globale de Mg est principalement isotrope autour de Mercure et caractéristique d’un processus de libération à haute énergie ; cependant, il existe des preuves de rehaussements localisés. Cela reste une énigme de savoir pourquoi Mg et Ca, deux espèces réfractaires, sont distribués si différemment dans l’exosphère.
D’autres éléments ont également été observés dans l’exosphère de Mercure, notamment l’hydrogène, l’hélium, le potassium, et peut-être l’oxygène et l’aluminium. Ils sont plus difficiles à observer car leurs émissions sont faibles et/ou ils ne sont pas particulièrement abondants. Les informations limitées dont nous disposons sur ces éléments montrent qu’il pourrait y avoir des aspects encore plus déroutants de l’exosphère de Mercure, dont la compréhension nécessite de nouvelles observations.