| Resumé |
En raison des impacts très énergétiques qui ont conduit à leur formation, les planètes rocheuses ont probablement connu au moins un stade d'océan de magma, durant lequel leur manteau était partiellement, voire totalement fondu. Le refroidissement et la solidification des silicates fondus ont ensuite mené à la formation du manteau solide, ainsi qu'à la formation d'atmosphères secondaires, via le dégazage de substances volatiles saturées. La trajectoire évolutive des océans de magma est d'une importance primordiale car elle définit les conditions à partir desquelles les planètes rocheuses évoluent ensuite, notamment la structure du manteau à la fin de la solidification ainsi que la répartition des volatils entre le manteau solide et l'atmosphère. Les études sur l'évolution couplée de l'océan magmatique et de l'atmosphère partent généralement du principe que, les vitesses de convection étant élevées, le dégazage des volatils est quasi-instantané et que l'atmosphère est en équilibre chimique avec l'océan de magma. Or, dans un océan de magma, les volatils saturés ne peuvent former des bulles et dégazer qu'à des profondeurs très faibles, là où la pression lithostatique est inférieure à la pression de saturation. De plus, la dynamique de refroidissement d'un océan de magma dépend fortement de son interaction avec son atmosphère croissante, par le biais de l'effet de serre. La vérification de l'hypothèse du dégazage à l'équilibre est donc essentielle pour évaluer l'évolution temporelle des océans de magma. Cette hypothèse de dégazage instantané a récemment été testée dans des expériences numériques de dynamique des fluides pour un océan magmatique d'épaisseur constante, qui ont montré que dans certains cas, le temps de dégazage peut dépasser la durée de vie de l'océan magmatique à l'état entièrement fondu. Cette précédente étude n'a cependant fourni que des indications sur les échelles de temps de dégazage pour une épaisseur d'océan magmatique fixe et n'a pas permis de décrire d'un océan de magma en évolution interagissant avec son atmosphère, sans l'hypothèse du dégazage à l'équilibre. Le but de cette thèse est de caractériser l'efficacité du dégazage dans un océan de magma en évolution, en interaction avec son atmosphère. Pour ce faire, nous avons utilisé des expériences analogiques et numériques avec des conditions aux limites sans glissement et avec glissement libre pour reproduire les mouvements convectifs dans un océan de magma. Nous avons suivi de manière systématique la quantité de volumes de fluide atteignant une profondeur donnée au cours du temps, et nous avons obtenu une estimation de l'évolution temporelle de la fraction exsolvée des volatiles. Nous en avons dérivé une loi générale qui décrit le flux de volatiles dégazés pour un océan de magma d'épaisseur variable. Nous avons trouvé que pour des écoulements suffisamment turbulents, le flux dépend uniquement de la profondeur d'exsolution à travers une constante de proportionnalité. Ce nouveau paramétrage du dégazage de l'océan de magma nous permet d'évaluer de manière plus réaliste l'effet des mouvements convectifs de l'océan de magma sur la formation d'atmosphères secondaires ainsi que leur évolution couplée, à l'aide d'un modèle paramétré d'évolution couplée ocean de magma-atmosphère. Nous constatons que pour les planètes de grande taille et/ou en rotation rapide, l'hypothèse de dégazage à l'équilibre ne tient pas et que le dégazage est fortement limité, ce qui entraîne une solidification plus rapide que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Ces résultats ont des conséquences importantes sur la différenciation précoce et l'évolution à long terme des planètes telluriques extra-solaires, y compris la formation de leurs atmosphères, ainsi que leur habitabilité potentielle. |