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La Lune, fille de Gaïa

Une évolution bouleversée (III)

L'exploration de la Lune permit aux équipages d'Apollo de déposer sur sa surface des instruments d'étude géophysiques, parmi lesquels des sismomètres, des magnétomètres, des sondes pour effectuer des relevés de température, de pression et de plasma ainsi que des réflecteurs lasers pour évaluer avec précision (à 10 cm près) sa distance à la Terre. D'autres relevés furent effectués à partir de la capsule Apollo elle-même : sa composition fut déterminée par fluorescence aux rayons X, on mesura sa radioactivité et sa surface fut cartographiée. L'ensemble des missions lunaires récoltèrent 383 kg de roches. La plupart ont été réparti dans les universités et font l'objet d'études par des scientifiques aux quatre coins du monde.

La surface lunaire peut-être relativement lisse dans les mers et les océans de basalte et au contraire localement très accidentée avec de véritables chaînes de montagnes, des cratères, des pics, des failles, des crêtes, des éjectas et des éboulis relativement récents. Documents NASA/Apollo 11 et 17/NSSDC.

En 1958, soit onze ans avant la mission historique d'Apollo XI, Wernher von Braun avait écrit un roman de réalité-fiction proposant aux lecteurs une première ébauche de ce que serait l'exploration de la Lune  : "John se baissa pour ramasser un bloc de rocher; quoique celui-ci eût presque la dimension d'une pastèque, John sentait à peine son poids vu la faible pesanteur lunaire, un sixième de celle à la surface terrestre [...] Il jeta le caillou et s'émerveilla de voir la distance franchie sous cette faible apesanteur [...] Longtemps avant leur départ, les savants leur avaient préparé des listes compliquées de donnée qu'ils espéraient voir récolter grâce à cette première expédition sur la Lune [...] Ce programme leur disait ce qu'ils devaient faire. [...] John et Larry étaient des pilotes et non des scientifiques; mais on les avaient soigneusement instruits de ce que les scientifiques désiraient. Les astronomes et les géologues voulaient des morceaux de sol lunaire comme indices de son origine et de sa composition".

Quel est l'âge de la Lune ?

Avant l'exploration spatiale, c'était une question majeure à laquelle il était difficile de répondre avec certitude. Il fallait absolument analyser des échantillons de surface et extraites des carottes de son écorce. Née probablement en même temps que la Terre, la radioactivité du sol indique que la Lune s'est formée il y a environ 4.6 milliards d'années. Cet âge très ancien incita les professionnels à l'étudier en détail pour déterminer quelles étaient les conditions dans le lointain passé de la Terre et de notre système solaire.

La face cachée de la Lune, respectivement le côté ouest, le centre (face cachée) et le côté est. Cette hémisphère témoigne d'un passé marqué par un bombardement météoritique intense qui n'a eu de cesse que voici quelques millions d'années. La grande formation en-dessous du centre sur l'image de gauche est Mare Orientale. Il s'agit d'un cratère d'impact présentant deux chaînes concentriques de montagnes, l'une de 700 km de diamètre, l'autre de 900 km de diamètre. Le cratère à rayon sur l'image du centre est Jackson tandis que la tache sombre à sa gauche est Mare Moscoviense dont la partie sombre mesure 227 km de longueur et se trouve plus bas que le niveau moyen de la Lune. Ces images ont été prises par la sonde spatiale LRO à 643 nm. Documents LRO/NASA/U.Az.

A leur grande surprise la Lune révéla que sa surface avait été profondément modifiée durant le premier 1.5 milliard d'années. Bien que certains échantillons remontent à 4 ou 4.6 milliards d'années, la plupart d'entre eux n'ont pas plus de 3 à 4 milliards d'années. Les flots de laves que l'on retrouve dans les mers indiquent qu'il y eut à cette époque un mélange des couches superficielles et une intense activité du magma provoquées par les impacts météoritiques et les émissions volcaniques. L'énergie gravitationnelle libérée pendant la formation de la Lune, la chaleur générée par les éléments radioactifs et les effets thermiques provoqués par les gigantesques impacts ont sculpté sa surface, contribuant à mélanger ses couches extérieures. 

Dans le milieu des années 1960, la sonde américaine Surveyor découvrit des concentrations de masses (mascons) sur la Lune qui modifiaient la cartographie du champ gravitationnel lunaire. Depuis, la totalité de sa surface a été mesurée et l'on connaît assez bien la structure de son écorce.

Quelles sont les conditions physiques à la surface de la Lune ?

Avant l'alunissage de la mission Apollo 11 le 20 juillet 1969, il était très difficile de déterminer la nature exacte du sol lunaire. Les questions étaient largement débattues : le sol était-il dense ou poreux, quelle était la finesse de la poussière, s'étendait-elle en profondeur ?

Nous savons aujourd'hui que la surface de la Lune est couverte en totalité, sur quelques dizaines de centimètres, de poussières. Sous cette couverture s'étend une couche de régolite (des brèches constituées de débris) sur plus de 10 mètres de profondeur. Le vide aidant, la cohésion des particules est telle qu'il est quasiment impossible d'enfoncer un pieu dans le sol lunaire sans l'aide d'un marteau !

Son atmosphère se réduit à la présence d’une faible enveloppe de sodium qui s’étend jusqu’à 14000 km au-dessus de sa surface. La densité de ce gaz atteint 1000 rayleighs au sol mais chute déjà d’un facteur 10 à 5000 km d’altitude et d’un facteur 100 à 10000 km d’altitude. La densité et la dimension de cette enveloppe sont très aléatoires et peuvent se réduire de moitié sans raison apparente.

La surface lunaire est entièrement couverte de régolite (débris) sur plus de 10 mètres de profondeur et à l'aspect du talc en raison de l'absence d'atmosphère et du froid. De temps en temps les astronautes ont découvert des éboulis récemment formés comme dans cette dépression au pied du Mont Haldey dans les Apennins. Documents NASA/Apollo 11 et Apollo 15.

Quelle est la température sur la Lune ?

La surface de la Lune était exposée au vide, on ne peut pas facilement évaluer sa température au sol. En effet, comment peut-on mesurer la température du vide ? La température est une valeur moyenne; on ne peut pas mesurer la température d’un atome par exemple mais uniquement celle d’un ensemble d’atomes. Etant donné qu’il n’y a pas de matière, on ne peut pas estimer la température du vide comme on le ferait sur Terre avec un thermomètre. Il faut utiliser un dispositif permettant de mesurer la quantité d’énergie du rayonnement.

Nous avons vu en météorologie à propos de la température que la thermodynamique nous apprend notamment que la chaleur se propage de trois manières différentes :

- par conduction : le transfert de chaleur s’opère par l’agitation moléculaire de proche en proche

- par convection : le transfert de chaleur d’effectue grâce aux mouvements des masses. Au contact d’une source de chaleur, l’air s’élève par exemple

- par rayonnement : le transfert de chaleur s’effectue par les ondes électromagnétiques. Ainsi devant un foyer, seule la partie lui faisant face est chaude.

Dans le vide de l’espace où l’absence de matière ne permet pas le transfert de chaleur par conduction ou convection, la chaleur est uniquement transmise par rayonnement. Cette température est différente de la température réelle du corps exposé à cette chaleur. La température d’un corps dépend de plusieurs paramètres :

- de la température de la source de rayonnement (~6000°C dans le cas du Soleil)

- de la distance (en fait de l'angle solide sous lequel on voit l'objet qui rayonne)

- les dimensions du corps

- l'albedo du corps

- la densité de la surface exposée

- la résistivité thermique du corps

- les mouvements du corps

- la réflectivité de l’appareil de mesure.

L'astronaute Alan Bean de l'équipage d'Apollo XII photographié par Charles Conrad au cours de leur séjour sur la Lune du 12 au 14 novembre 1969. Alan tient en main un container contenant un échantillon de sol lunaire prélevé dans le cratère Sharp situé dans l'Océan des Tempêtes (O.Procellarum). Il porte notamment sur lui un Hasselblad de 70 mm équipé d'un film noir et blanc.

Comme la Terre, la Lune ne reçoit qu’un demi-milliardième de toute l’énergie rayonnée par le Soleil. Ce que l’on mesure sur la Lune ou à hauteur de l’orbite terrestre n’est pas la température du vide à proprement dit mais la température effective résultant du rayonnement des différentes sources de chaleur, essentiellement celle du Soleil, les autres contributions étant négligeables.

A l’inverse, si on effectuait la même expérience sur Terre, sur une pelouse exposée au Soleil, nous savons tous que la température du thermomètre peut indiquer 40 ou 50°C alors que sous abri il ne fait peut-être que 25 ou 30°C. La mesure prise en plein Soleil est la température effective du rayonnement lorsque le thermomètre est parvenu à la température d’équilibre.

Sur la Lune la température en plein Soleil atteint 150°C et plonge côté obscure à environ -150°C. Localement, dans les crevasses qui ne voient jamais la lumière du Soleil, la température chute à -230°C.

En moyenne, la différence de température que présente un rocher entre sa face éclairée et celle plongée dans l'ombre depuis quelques heures dépasse donc 300°, une valeur plus de 10 fois supérieure aux écarts que l'on connaît sur Terre où l'atmosphère et le vent jouent un rôle régulateur. Le sous-sol est un véritable permafrost, gelé à 2 m de profondeur par -17°C pour progresser ensuite de 1.75° par mètre de profondeur.

Les équipages des missions Apollo ont aluni lorsque le Soleil était assez bas sur l'horizon, un ou deux jours après le lever local du Soleil sur leur site, ce qui fait que la température était encore relativement modérée, même après qu'ils soient restés 3 jours sur la surface lunaire.

Dans le vide, l'absence d'atmosphère ne permet pas de conduire la chaleur et le froid ne s'installe pas facilement. Par sécurité les boîtiers des caméras Hasselblad 500 étaient recouvert de matériaux argentés spécialement conçus pour refléter la lumière du Soleil et ne pas absorber sa chaleur. Les films étaient conservés dans des magazins spéciaux offrant une bonne protection contre les extrêmes de température, même lorsque les caméras étaient abandonnées en plein Soleil. Le film pouvait ainsi rester à la température d'une pièce de séjour (la température intérieure du LEM) durant plusieurs heures. Pour information, la gélatine couvrant le dos d'un film se brise par -80°C tandis que l'émulsion commence à se voiler à partir de +50°C. Elle est également sensible aux rayons X et aux autres particules de forte énergie.

Finalement les ingénieurs de la NASA ont été plutôt bien inspirés et ont tout de suite fabriqués des équipements capables de supporter les températures lunaires. C'est l'une des raisons pour lesquelles ils demandaient aux astronautes de veiller à ce que la poussière ne recouvre pas leur équipement.

Quelle est la composition de la Lune ?

Avec une densité de 3.36 la Lune est très légère. Sa masse est 81 fois inférieure à celle de la Terre. Les matériaux récoltés sont très secs et ne présentent pratiquement pas d'eau cristallisée. Ils contiennent suffisamment d'éléments volatils (C, O) pour évoquer un processus très chaud à un moment de son histoire. Ceci est confirmé par des échantillons riches en éléments réfractaires (Ca, Ti, Mn) et en sphérules de verre. Les brèches sont composés de matière vitreuse agglomérée à des éléments rocheux. 

Composition des manteaux

lunaire et terrestre

Composant Lune (%) Terre (%)

SiO2

44

44

TiO2

0.25

0.2

Al2O3

3.7

3.9

Cr2O3

0.35

0.44

Fe0

12.4

10

MnO

0.16

0.16

MgO

36

36.9

CaO

31

32

NA2O

0.06

0.39

Ni (ppm)

2000

2080

Co

90

104

V

80

77

Sc

14.1

17.2

Adapté de "Mission to the Moon", ESA SP-1150, 1992.

Les rochers récoltés dans les mers ressemblents, bien qu'elles soient différentes, aux laves terrestres, ce sont des basaltes. Les échantillons de montagne révèlent une différenciation de la matière en quelque 75 variétés de minéraux, les anorthoses, à l'instar de la grande variété de roches et de minéraux que l'on retrouve sur Terre à une échelle plus étendue (2000 espèces). Les matériaux lunaires ne ressemblent pas exactement aux météorites, ni exactement à l'écorce terrestre, tout trois ont probablement la même origine mais connurent une évolution différente.

Du temps où la Lune avait une atmosphère

Si aujourd'hui la Lune n'a pratiquement pas d'atmosphère, en étudiant des roches rapportées par les astronautes des missions Apollo XV et XVII respectivement en 1971 et 1972, les chercheurs Debra Needham et David Kring du Lunar and Planetary Institute (LPI) ont découvert des traces d'éléments volatiles dans des fragments de laves vitrifiées récoltés dans la "Mer des Pluies" (Mare Imbrium), un vaste bassin de basalte qui se serait formé voici 3.2 à 3.8 milliards d'années et formant aujourd'hui "l'oeil gauche" du visage de la Lune. On y reviendra.

Cartographie des zones de laves basaltiques de la Lune ayant émis des gaz volatiles il y a 1 milliard d'années. Document D.Needhalm et al./LPI.

Les résultats de leurs analyses publiés en 2017 dans la revue "Earth and Planetary Science Letters" indique qu'à cette époque les éruptions volcaniques dégagèrent de grandes quantités de gaz avec par ordre d'importance (en ppm) le CO, S, la vapeur d'eau, H2 et OH. Les chercheurs estiment que la "Mer des Pluies" fut remplie de 5.3 millions de km3 de lave qui relâchèrents lors leur activité la plus intense quelque 10000 milliards de tonnes de gaz avec un taux d'émission de l'ordre de 10 tonnes/seconde. Lorsque l'émission de gaz s'arrêta, en raison de la faible masse de la Lune, les gaz volatiles se sont échappés dans l'espace à raison de 10 kg/seconde, ce qui implique que la Lune conserva une atmosphère pendant au moins 70 millions d'années.

Cette légère atmosphère présentait une pression maximale atteignant 1000 Pa soit 1 % de la pression atmosphérique terrestre actuelle au niveau de la mer, ce qui représente tout de même 1.5 fois la pression atmosphérique actuelle régnant à la surface de Mars.

Etant donné qu'il y avait une atmosphère sur la Lune et des variations de température, il devait donc également y avoir du vent et des échanges thermiques le long du terminateur, entre les faces éclairées et sombres.

Selon les chercheurs, si les gaz volatiles ont fini par se dissiper dans l'espace, il est possible qu'une petite fraction fut séquestrée dans les régions les plus froides, notamment au fond des cratères et des crevasses plongés en permanence dans l'ombre, comme par exemple dans les régions polaires. Nous verrons ci-dessous que c'est justement aux pôles que de l'hydrogène fut détecté et peut-être même de l'eau glacée. Needham et Kring ont calculé qu'il suffirait que 0.1 % de toute la vapeur d'eau relâchée dans les éruptions se retrouve piégée dans ces cratères pour expliquer les quantités mesurées aujourd'hui par les sondes spatiales LRO et LCROSS.

Y a-t-il de l'eau sur la Lune ?

Selon une étude publiée en 2016 par Jessica J. Barnes et ses collègues de l'Open University d'Angleterre basée des simulations tenant compte de la teneur isotopique des roches terrestres et lunaires, le deutérium typique des comètes n'a contribué qu'à moins de 20 % de l'eau qui serait présente sur la Lune. Autrement dit, ce sont les impacts météoritiques des astéroïdes plutôt que des comètes qui auraient apporté plus de 80 % de l'eau qu'on trouvera peut-être sur la Lune.

Illustration de la collision d'un astéroïde avec la Lune. Document Dan Durda.

Vu les conditions régnant sur la Lune, s'il y a de l'eau, elle n'est évidemment pas à l'état liquide mais glacé et généralement mélangée à des roches. C'est en 1994 que les radars de la sonde Clementine ont réagit à la présence de glace près du pôle Sud lunaire, tandis qu'au bout de 8 mois d'exploration, en 1998 la sonde Lunar Prospector a détecté de l’hydrogène dans le régolite de surface. L'endroit est localisé au fond d'un cratère qui ne reçoit jamais la lumière du Soleil.

Mais il n’est pas certain que ces mesures soient associées à de l’eau glacée. Selon le géologue Harrison Smitt, ancien astronaute d’Apollo 17, cet hydrogène pourrait provenir du vent solaire qui se concentrerait à raison de quelques pourcents dans cet environnement polaire particulier. En revanche l'hydrogène est volatile mais pas l'eau... Après des millions d'années de stagnation par des températures de -230°C, tout ce qui pourrait subsister aux pôles de la Lune, c'est justement l'eau, ce qui rend les astronomes confiants.

On estime que la quantité d'eau congélée qui existerait au Pôle Sud de la Lune représente moins de 10 milliards de mètres cubes (10 milliards de tonnes), l'équivalent du Grand Lac Salé de l'Utah, le sel en moins ! Si dans l'absolu cela représente un vaste volume, cela représente à peine 12 % du lac Léman.

Selon les mesures effectuées par la sonde Lunar Prospector, W.Feldman et son équipe estimaient en 1998 et 2001 que les régions polaires lunaires contiendraient chacune 3 milliards de tonnes de glace jusqu'à 2 m de profondeur. Elle serait contenue dans un régolite ferroanorthosite dans les 40 cm supérieurs de l'écorce.

Une confirmation définitive de la présence d’eau glacée sur la Lune ne pourrait à présent provenir que d’un échantillonnage effectué par un véhicule de surface. Mais c'est plus facile à dire qu'à réaliser ! En effet, par -230°C plus rien ne fonctionne : les composants électroniques faits de silicium ou de céramique ne fonctionnent plus et les batteries ordinaires perdent tout leur rendement et leur capacité en dessous de -20°C car leur résistance augmente provoquant une baisse de tension (cf. ce document) et de toute façon elles ont gelé depuis longtemps (-40°C pour certaines batteries spéciales Li-ion et -80°C pour les batteries Mesa au Li/SOCl2).

La seule solution serait de limiter les missions à quelques heures, histoire de ne pas refroidir le matériel sous des températures extrêmes ou, plus intelligemment, de faire le nécessaire pour maintenir tous les éléments "au chaud" mais certains éléments calorifugeurs devront tout de même être exposés au froid extrême.

Mais pour découvrir et exploiter ces éventuelles réserves d'eau glacée, il faut plonger au fond d'un cratère de 10 km de profondeur dont les images ont révélé un relief très escarpé avec des montagnes et des versants de cratères abruptes. On peut imaginer envoyer un pénétrateur équipé d'un forret qui analyserait cette matière. Mais il faut trouver un système efficace pour piloter la sonde automatique et pour relayer ses signaux à une sonde en orbite polaire autour de la Lune afin que les informations puissent être renvoyées vers la Terre. Le défi technologique est à la hauteur de nos espérances.

Relevé de la distribution des neutrons de moyenne énergie (épithermiques) au pôle Nord et au pôle Sud de la Lune. Dans les deux cas, mis à part quelques "points chauds" localisés, on remarque une faible concentration de neutrons de moyenne énergie et donc un excès d'hydrogène près des pôles. Cet hydrogène est la signature de la glace d'eau cachée au fond des cratères escarpés et des failles qui ne voient jamais la lumière du Soleil. Document NASA/ARC/LANL.

Que pourrait-on faire avec cette eau ? Si nous voulons un jour coloniser la Lune (voir dernière page), les équipes en place doivent disposer d'eau et de carburant. Grâce à l'hydrogène, on dispose du carburant et l'oxygène apporté depuis la Terre servirait de comburant à de futurs moteurs cryogéniques. On pourrait ainsi se servir de la Lune comme d'une base de lancement pour nos fusées. L'eau ainsi fabriquée pourrait également servir à la culture des légumes et des plantes de nos futurs colons lunaires. Des essais concluants ont été fait sur Terre à partir d'échantillons lunaires ramenés par les missions Apollo. Bien que stérile, correctement alimenté le régolite lunaire verdit et les plantes y poussent ! Reste à établir une base lunaire près du pôle Nord ou Sud, ce qui pour l'instant reste tout au mieux du domaine de la prospective chère aux illustrateurs de la NASA.

La glace et le basculement de l'axe de rotation

A propos des calottes polaires, les planétologues ont remarqué que des dépôts d'hydrogène qui représentent les traces d'anciennes calottes glacières ne se trouvent pas exactement à l'emplacement des pôles actuels de la Lune. Ils correspondraient à l'ancienne position des pôles comme on le voit ci-dessous. En effet, le planétologue Matt Siegler de l'Institut des Sciences Planétaires (LPI) de Tucson, Az., et ses collègues ont analysé les données de la mission Lunar Prospector de la NASA et découvert que ces dépôts sont antipodaux, c'est-à-dire qu'ils sont placés juste aux antipodes sur une ligne passant par le centre de la Lune. De plus, ces dépôts d'hydrogène sont situés à égale distance de leur pôle respectif mais dans des directions opposées. Pour les chercheurs, c'est la preuve que l'axe de rotation de la lune a basculé d'environ 6° en 3.5 milliards d'années.

A voir : Déplacement des pôles de la Lune, SMU

A gauche, déplacement des pôles de la Lune en 3.5 milliards d'années. A droite, le basculement de l'axe de rotation de la Lune (en bleu l'axe actuel et en vert la position qu'il devrait occuper) d'environ 6° sur la même période serait en relation avec un déplacement des masses dans la région volcanique de Procellarum. Documents James Tuttle Keane/U.Arizona.

Dans un article publié en 2016 dans la revue Nature, Siegler et ses collègues expliquent que les planètes peuvent changer d'orientation si la masse des éléments qui les composent change ou se déplace; dans ce cas elles peuvent basculer sur leur axe. C'est ce qui serait arrivé à la Lune. La région de Procellarum est une grande mer lunaire située à l'ouest de la face visible. Il y a plus de 3.5 milliards d'années, c'était une région volcanique très active. Du fait de cette activité géologique, la région était envahie de lave chaude et était moins dense. En se solidifiant, les épanchements magmatiques ont changé la masse volumique de la région de Procellarum qui aurait entraîné un déplacement de l'axe de rotation de la Lune. Le visage de la Lune que l'on voit aujourd'hui était donc légèrement différent il y a plusieurs milliards d'années (le "visage" a basculé vers l'avant).

Notons que très peu d'astres ont subi un tel basculement axial. Il y a la Terre, Mars, la lune Europe de Jupiter et Encélade de Saturne. La Lune appartient donc à un club très fermé.

La Lune a-t-elle un champ magnétique ?

La surface de la Lune présente une variation prononcée du champ magnétique d'un endroit à l'autre, tant en intensité qu'en direction. Des écarts d'un facteur 500 ont été relevés (6 à plus de 3000 gammas), alors que sur Terre le champ géomagnétique double localement (30000 à 60000 gammas). Des rochers présentent encore actuellement une aimantation très forte. Le manteau de la Lune étant pratiquement solide, le magnétisme actuel serait la trace d'une époque passée où le manteau lunaire était nettement plus fluide, induisant un champ magnétique bien plus intense. 

Prochain chapitre

Comment la Lune s'est-elle formée ?

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