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. 

Les paysages lunaires 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. A leur grande surprise la Lune révéla que sa surface avait été profondément modifiée durant le premier 1.5 milliards 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.

Quelle est la température sur la Lune ?

Située dans le vide et ne disposant pas d'atmosphère, je vous dirais qu'on ne peut pas évaluer facilement la température régnant sur la Lune. 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 conatct 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'albédo du corps
- la densité de la surface exposée
- la résistivité thermique du corps
- les mouvements du corps
- la réflectivité de l’appareil de mesure

La Lune, comme la Terre, 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.

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.

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. 

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.

Prochain chapitre

Comment la Lune s'est-elle formée ?