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Vénus, la jumelle de la Terre, a évolué différemment
Bien que de taille similaire à la Terre, Vénus présente des conditions extrêmes à sa surface : une pression près de 100 fois plus élevée et une température avoisinant les 460 °C.
D’épais nuages composés d’acide sulfurique et d’eau s’étendent de 45 à 65 km d’altitude, et son atmosphère est plus de 100 000 fois plus sèche que celle de la Terre.
L’étude des isotopologues de l’eau (H2O et HDO) permet de retracer l’histoire de l’eau sur Vénus. Le rapport HDO/H2O était probablement similaires sur Vénus et sur Terre à l’origine, mais l’atmosphère de Vénus présente aujourd’hui une valeur 120 fois plus élevée, signe d’un enrichissement en deutérium.
Ce phénomène résulte de la photolyse solaire qui, dans la haute atmosphère, dissocie les molécules d’eau, libérant hydrogène (H) et deutérium (D), l’hydrogène plus léger s’échappant plus facilement. Avec le temps, ce processus augmente le rapport HDO/H2O.
Forte augmentation de H2O et HDO dans la haute mésosphère mesurée par l’instrument belge SOIR
Pour déterminer les taux d’échappement de H et D, il est essentiel de mesurer les isotopologues de l’eau au-dessus de ~70 km (au-dessus des nuages), là où la lumière solaire les dissocie. Notre étude est la première à cartographier la distribution de H2O et HDO dans la mésosphère de Vénus jusqu’à 110 km d’altitude.
Les données proviennent du spectromètre SOIR, conçu et exploité à l’Institut Royal d’Aéronomie Spatiale de Belgique. Cet instrument, embarqué sur la sonde Venus Express de l’ESA, a sondé la planète de 2006 à 2014.
Nos recherches ont révélé deux surprises : les concentrations de H2O et HDO augmentent avec l’altitude entre 70 et 110 km, contrairement aux prévisions des modèles climatiques. De plus, le rapport HDO/H2O croît d’un facteur dix sur cette plage d’altitudes, atteignant plus de 1 500 fois la valeur observée dans les océans terrestres au jour d’aujourd’hui.
Pour expliquer ces observations, nous proposons un nouveau mécanisme, basé sur le comportement des aérosols (petites particules en suspension dans l’air) d’acide sulfurique hydraté (H2SO4), en accord avec les mesures de SOIR.
- Les aérosols se forment juste au-dessus des nuages lorsque la température passe sous le point de rosée de l’eau sulfurée, condensant préférentiellement l’eau deutérée.
- Ces aérosols enrichis en deutérium montent au-dessus de 100 km, où
- Un réchauffement d’environ 80 °C provoque leur évaporation, libérant plus de HDO que de H2O.
- La vapeur redescend ensuite, bouclant le cycle. Ce processus explique aussi l’augmentation de SO2 observée au-dessus de 90 km, restée inexpliquée jusqu’ici.
Une découverte qui éclaire l’évolution possible de la planète
Cette étude met en évidence deux points clés.
- Premièrement, les variations avec l’altitude sont essentielles pour identifier les réservoirs de deutérium et d’hydrogène, et ainsi retracer l’histoire de l’eau sur Vénus.
- Deuxièmement, l’augmentation du rapport HDO/H2O modifie les taux d’échappement de H et D : la photolyse à haute altitude accroît la libération de deutérium, influençant l’évolution à long terme du rapport D/H.
En conclusion, ces résultats montrent la nécessité d’utiliser des modèles dépendant de l’altitude pour affiner les prévisions d’évolution du D/H et réévaluer si Vénus était, dans un passé lointain, plus ou moins humide — une question centrale pour comprendre son habitabilité passée.
Référence
- Mahieux A. et al., 2024. Unexpected increase of the deuterium to hydrogen ratio in the Venus mesosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences. 121, e2401638121, doi:10.1073/pnas.2401638121.
