La Lune et Mercure sont des corps dépourvus d’atmosphère, laissant leurs surfaces exposées aux photons et aux particules chargées émanant du Soleil, ainsi qu’aux impacts de météorites. Au fil du temps, ces contraintes externes ont vaporisé la surface de ces corps en très fine poussière, créant une couche poreuse appelée régolithe. Les radiations solaires, les variations de températures ainsi que les impacts de météorites peuvent éjecter des atomes de la surface de ces corps. Ces atomes sont peu nombreux et forment une atmosphère très ténue, appelée exosphère. Une exosphère est caractérisée par l’absence d’interaction entre les atomes la constituant. Ces atomes migrent autour de la Lune ou de Mercure, seulement affectés par la force gravitationnelle. Ces atomes peuvent impacter la surface et en être immédiatement rééjectés. La densité et la composition de l’exosphère dépendent de la composition et de la structure du régolithe, ainsi que de l’efficacité des forçages externes menant à l’éjection d’atomes. Comprendre les interactions entre l’exosphère et le régolithe est donc fondamental pour comprendre les phénomènes de vieillissement de la surface et correctement interpréter les observations qui peuvent en être faites.

Depuis les premières observations des exosphères de Mercure et de la Lune dans les années 1970, ces environnements ont été observés extensivement et de nombreuses espèces chimiques telles que le sodium, le potassium, le magnésium, ou encore le calcium, ont été mesurées. En parallèle, différents modèles théoriques ont été développés pour expliquer la formation et la variation des exosphères de ces corps. Ces modèles se basent sur un équilibre entre l’apport de nouveaux atomes de la surface et la perte d’atomes exosphériques. Il est considéré que les atomes sont éjectés depuis la surface par quatre processus : la désorption thermique, causée par des températures de surface élevées, la désorption induite par un photon solaire énergétique, la désorption par collision avec une particule solaire énergétique (proton ou électron) et la désorption par vaporisation lors d’un impact de météorite.

La désorption thermique semble être d’un intérêt particulier pour Mercure. Étant la planète la plus proche du Soleil avec une orbite elliptique, sa température de surface peut atteindre 700 K. Les atomes exosphériques, une fois éjectés, peuvent s’échapper de l’attraction gravitationnelle, être ionisés, ou, s’ils retombent à la surface, être adsorbés. Ce dernier processus permet à des atomes exosphériques d’être « recyclés », car leur retour à la surface leur permet d’être rééjectés plus tard dans l’exosphère. C’est ce phénomène de recyclage qui a permis d’expliquer la plus grande densité de sodium observée dans l’exosphère de Mercure après le terminateur du matin.

Cette thèse a pour objectif d’améliorer la description des interactions surface-exosphère pour la Lune et Mercure en introduisant une paramétrisation multi-échelles des connexions gaz-régolithe. La première étape a été d’introduire une description plus fidèle des caractéristiques thermophysiques d’un régolithe. En utilisant un outil de dynamique moléculaire adapté à la description des contacts entre plusieurs milliers de grains de différentes tailles, j’ai simulé une structure granulaire pouvant s’apparenter à un régolithe de la Lune ou de Mercure. Un modèle thermique a aussi été développé pour modéliser la variation de la température du régolithe en fonction de sa position géographique sur Mercure, de la profondeur dans le régolithe et de l’exposition du régolithe par rapport au Soleil.

Ce travail s’inscrit dans la préparation de la mission ESA/JAXA BepiColombo qui se dirige actuellement vers Mercure. Cette mission est composée de deux sondes qui vont observer l’environnement de Mercure d’une manière inédite de par leur configuration multi-points.

Lieu
Sorbonne Université
4 Place Jussieu, 75005 Paris
Salle de Conférence TPE, Tour 46-56, 2^e étage

Zoom
https://zoom.us/j/95867083994?pwd=fKkJUEv79A09OFJjzkpkSHlyhmaQAb.1
ID de réunion: 958 6708 3994
Code secret : verkercke

• Valérie CIARLETTI – Présidente – Professeure des universités, UVSQ
• Sébastien BESSE – Rapporteur – Chargé de recherche, ESA
• Pierre VERNAZZA – Rapporteur – Chargé de recherche, Université Aix-Marseille
• Deborah DOMINGUE – Examinatrice – Directrice de recherche, Planetary Science Institute
• Lina HADID – Examinatrice – Chargée de recherche, Université Paris-Saclay
• Anna MILILLO – Examinatrice – Directrice de recherche, IASP