Forçage astronomique des paléoclimats de la Terre et de Mars Analogies, différences et applications. Benjamin Levrard Observatoire de Paris

Forçage orbital terrestre et martien Précession Climatique Excentricité e : excentricité  : longitude du périhélie i : inclinaison du plan  : longitude du noeud   Perturbations gravitationnelles planétaires ~ et ~ ans ~ et ans ~ et ans ~ ans l= M+W : longitude moyenne a : demi-grand axe

Obliquité (I) ~23.3° ~25.2° Equations de précession

Obliquité (II) Dynamique régulière ~ ans ~ ans Modulation: ~ 1.2 Ma Dynamique chaotique Mouvement chaotique entre 0 et 60° (Laskar et Robutel, 1993) Période dominante ~ ans Périodes dominantes:

Théorie astronomique des paléoclimats terrestres ~Indicateur du volume glaciaire Influence de l'insolation d’été à 65° N Théorie de Milankovitch (1941))

Influence du forçage orbital sur le cycle de l'eau et l'histoire des calottes polaires martiennes ?

Les dépôts en couches polaires martiens

Stratigraphie d'une section des dépôts en couches Pixel (numéro) Hauteur (m) Age compris entre ~ ans et 30 Ma

Forçage orbital des dépôts en couches Hypothèses: Age récent du haut de la section et de la déposition Taux de déposition moyen ~ constant sur la section Absence de discordances majeures

Corrélations temporelle et spectrale Précession climatique Obliquité (+ excentricité ?) (Laskar, J., Levrard, B. et Mustard, J.F., 2002, Nature, 419, )

Conséquences Taux de déposition moyen de ~0.5 mm/an sur les 250 premiers mètres de la section Une extrapolation ``arbitraire'' pour les 3 km de la calotte fournirait un âge de ~ 5 Ma.

Utilisation d'un Modèle de Circulation Générale Modélisation récente du cycle de l'eau (Forget, 1999; Montmessin, thèse, LMD) Réservoirs: -Glace en surface -Vapeur d'eau atmosphérique -Nuages de glace -> Pas de régolite. Résolution spatiale: 48 (longitude)*32 (latitude) * 25 (altitude)

Validité du modèle actuel Montmessin et al., LMD GCM Eté nord Automne Hiver Printemps Eté nord Vapeur d'eau atmosphérique: Nuages de glace d'eau: Smith et al. 2002

Perte annuelle de glace de la calotte (mm/an) Instabilité d'une calotte Nord à haute obliquité Obliquité (°) Orbite froide : e = et solstice d'été à l'aphélie Orbite intermédiaire circulaire : e = 0 Orbite chaude : e = et solstice d'été au périhélie

Zones de stabilité de la glace (I)

Zones de stabilité de la glace (II)

Des paléo-glaciers sur Tharsis ? Head et Marchant, 2003 Shean et Head, 2003 Arsia Pavonis Ascraeus Age < 10 Ma

Conséquences (I) Avec des vitesses de disparition d' environ 10 mm/an pour des obliquités supérieures à 35°, une calotte d'eau pure de 3 km disparaitrait en moins de ans ! Que se passe t'il lorsque Mars redescend à basse obliquité avec un réservoir équatorial de glace ?

~ 1 mm/an de glace accumulée Excentricité = 0

Abondance en hydrogène en subsurface proche (Spectromètre GRS de la sonde Mars Odyssey) Boyton et al., 2002, Science.

Conséquences (II) Formation de dépots glaciaires dans les hautes latitudes des deux hémisphères et disparition des glaciers équatoriaux

Conséquences (II) Formation de dépots glaciaires dans les hautes latitudes des deux hémisphères et disparition de glaciers équatoriaux Formation de dépots en couches dans les hautes latitudes des deux hémisphères et de calottes polaires ?

Conclusions Influence importante des variations orbitales et axiales martiennes sur la stabilité et la distribution de la glace à la surface de Mars. Présence de périodes glaciaires et interglaciaires ! Passage prolongée à haute obliquité (~5-10 Ma): Disparition des calottes polaires ? Transition haute obliquité- basse obliquité : Une explication possible pour l'eau en subsurface observée par Mars Odyssey. Taux de transfert de glace (~ mm/an) compatibles avec la formation de dépots en couches alternés et l'épaisseur des strates observées (~m). Avec le modèle climatique utilisé: Mais leur histoire semble complexe...

Les inconnues... Limites des MCG pour d'autres conditions orbitales: - Albédo des calottes ? - Effet radiatif des nuages et de la vapeur d'eau ? - Pression atmosphérique (dépend du CO2 total) ? Interactions microphysiques entre le cycle de poussières martiennes et le cycle de l'eau. Possibilité de rétroactions climatiques. Quantifier les échanges d'eau entre la calotte polaire et les autres réservoirs possibles : - régolite - calotte permanente Sud

Mission Mars Express Spectromètre infrarouge et ultraviolet OMEGA et SPICAM -Variations temporelles et spatiales du cycle saisonnier de l'eau et des poussières Radar basse fréquence MARSIS -Distribution en subsurface de l'eau (liquide, glace ?) jusqu'à 5 km de profondeur

Forer la calotte polaire martienne Nord Projet Cryobot du JPL/NASA