Décrypter l'échappement de l'oxygène terrestre dans l’espace

Echappement de l’oxygène de l’atmosphère terrestre depuis la Grande Oxydation

Deux facteurs influencent l'échappement atmosphérique : le forçage solaire et l'environnement planétaire. Le Soleil « jeune » avait un vent solaire plus rapide et plus dense, et un rayonnement EUV plus intense, déposant plus d'énergie dans l'ionosphère qu'aujourd'hui. La Terre « jeune » avait une atmosphère plus chaude et son champ magnétique a fluctué au fil du temps.

Nous avons développé un modèle semi-empirique qui extrapole les taux d'échappement actuels aux conditions passées, en prenant en compte les sept principaux processus d'échappement pour les planètes telluriques : l’échappement de Jeans, l’échappement photochimique, la capture d’ions par le vent solaire, l’éjection d’ions à proximité de la magnétopause, les pertes d’ion plasmasphériques, le vent polaire et les échappements du cornet polaire. À l'aide de formules empiriques, de considérations physiques et d'un modèle de champ magnétique, nous déterminons les taux d’échappement passé pour chaque mécanisme.

Comme la Terre est restée magnétisée depuis la Grande Oxydation, il y a 2,45 milliards d'années, l'échappement d'oxygène a été dominé par l'échappement d'ions à travers des lignes de champ magnétique ouvertes reliant l'ionosphère polaire au milieu interplanétaire (vent polaire et échappement du cornet polaire).

Le taux d'échappement de l'oxygène il y a 2,45 milliards d'années était plus un ordre de grandeur plus élevé qu'aujourd'hui, avec un taux d'échappement total supérieur à 10²⁷ s^-1 soit quelques centaines de kilogrammes par seconde. La perte totale d'oxygène pendant cette période correspond à environ 50 % de la teneur actuelle en oxygène de l'atmosphère, ce qui a permis à la Terre de maintenir une atmosphère riche en oxygène.

Comprendre les paramètres clés de la stabilité atmosphérique

Le modèle semi-empirique de BIRA-IASB isole les paramètres clés qui contrôlent l'échappement d'oxygène d'une planète magnétisée comme la Terre. L'un des éléments centraux est l'équilibre entre la pression du champ magnétique planétaire et la pression du vent solaire.

Ce rapport de pression façonne la géométrie de la magnétosphère, affectant la proportion de lignes de champ magnétique ouvertes par rapport aux lignes de champ magnétique fermées. Dans un passé lointain, un rapport plus faible entre la pression magnétique de la Terre et la pression du vent solaire a provoqué l'expansion des régions atmosphériques reliées à des lignes de champ ouvert.  

Cette expansion a permis à plus d'oxygène atmosphérique de s'échapper à travers les régions polaires, d'autant plus qu'un vent solaire plus fort a fourni plus d'énergie pour accélérer les ions. Cependant, cette augmentation des échappements d'ions n'était pas illimitée. La capacité de l'ionosphère à produire des ions est finie et a atteint un point de saturation il y a environ 1,5 milliard d'années. Avant cela, même si la zone des lignes de champ ouvert augmentait, l'approvisionnement limité en ions ionosphériques limitait le taux d'échappement.

En tenant compte de tous les mécanismes d'échappement d'oxygène connus, ce modèle offre de nouvelles perspectives sur l'évolution à long terme de l'atmosphère terrestre. En affinant notre compréhension des facteurs clés de l'échappement atmosphérique, nous améliorons aussi notre capacité à comprendre l'évolution et la stabilité d'autres atmosphères planétaires.