Radiations d’origine solaire et cosmique

Sources

Les surfaces sans atmosphère sont également soumises à un bombardement permanent par des particules plus ou moins énergétiques en premier lieu desquelles des photons X et ultra-violet (UV) solaires, des ions issus du vent solaire et des rayons cosmiques provenant de notre Galaxie ou d’au-delà. Ces radiations modifient chimiquement, physiquement et structurellement les surfaces sur une profondeur allant de quelques micromètres à quelques mètres, en fonction de l’énergie des particules.

Le vent solaire est un flux de plasma essentiellement composé de particules d’hydrogène et d’hélium ionisées dont l’énergie est modérée (0.3-3 keV/nucléon). Ce flux varie, en température et en vitesse, avec l’activité du Soleil. Lors d’éruptions solaires et d’éjection de masse coronale, des rafales de particules solaires particulièrement énergétiques (1-100 MeV/nucléon) balayent notre système stellaire.

Les corps pourvus d’un champ magnétique propre (Mercure, Terre, Ganymède) sont protégés en grande partie des radiations, leur magnétosphère déviant les particules chargées le long des lignes de champ et agissant ainsi comme un bouclier. A l’inverse, les magnétosphères des géantes gazeuses, en piégeant et accélérant les particules chargées, produisent d'intenses ceintures de rayonnement et soumettent les satellites qui leur sont les plus proches à de grandes doses de radiations. En particulier, Io et Europe, autour de Jupiter, reçoivent des doses 100 à 1000 fois plus élevées que la Lune.

Effets

Les principaux effets du bombardement par les particules solaires et cosmiques sur les surfaces sont les suivants :

• L’implant d’ions d’hydrogène et d’hélium mais aussi, plus rarement, de gaz nobles du vent solaire à la surface et même dans la proche sous-surface dont la chimie se trouve alors modifiée.
• La radiolyse ou photolyse, c’est-à-dire la dissociation par décomposition chimique, de certains matériaux de surface (notamment les glaces et les composés carbonés). La couleur rouge de Mars, par exemple, est attribuée à l’oxydation des silicates ferreux du sol (olivine, pyroxènes, amphibole, biolite) après dissociation des molécules d’eau par photolyse UV (H₂O+photon UV→H₂+O alors 2FeO+O→Fe₂O₃).
• L’éjection d’atomes ou de molécules, qui se re-condensent ensuite sur les grains de surface les couvrant d’une fine pellicule. C’est le phénomène de pulvérisation ou criblage cathodique ou « sputtering » (de l’anglais «sputter », postillonner). Sur les surfaces silicatées, ce phénomène va de pair avec un obscurcissement du sol. Sur les satellites glacés, il semble, au contraire, rendre les surfaces plus brillantes après la re-condensation des molécules d’eau éjectées.
• La formation d’isotopes d’un élément suite à l’arrachement de neutrons par le bombardement cosmique de haute énergie. Ce phénomène s’appelle la spallation des rayons cosmiques (de l’anglais « spall off », écailler). La présence de ces isotopes permet de dater l’âge d’exposition de la surface. En outre, les neutrons arrachés peuvent alors interagir avec les noyaux atomiques des espèces présentes dans le sous-sol provoquant notamment l’émission de rayons gamma caractéristiques de l’élément frappé. L’observation de ces rayonnements secondaires permet d’identifier et de cartographier les constituants du proche sous-sol.
• L’endommagement de certaines structures cristallographiques.

Sur ce dernier point, notons que les surfaces glacées sont particulièrement sensibles aux radiations car elles sont trois fois moins résistantes que les surfaces silicatées et plus volatiles (c’est-à-dire susceptibles de changer de phase). Rappelons que la glace d’eau peut exister sous plusieurs formes: différents états cristallins (en fonction essentiellement de la température) ou amorphes. A basses températures, le bombardement par les particules UV et les ions peut modifier la structure cristalline de la glace en surface, voire même entrainer son amorphisation. Europe, qui baigne dans magnétosphère jovienne et est, par conséquent, soumise à des taux de radiation particulièrement élevés, présente une surface jeune mais largement amorphisée alors que la phase cristalline est stable à la surface de Callisto, satellite près de 3 fois plus éloignée de Jupiter. Ganymède, qui se trouve entre Europe et Callisto et est, de surcroît, protégé par un champ magnétique propre, présente de la glace amorphe aux pôles (là où les lignes de champs sont ouvertes) et cristalline ailleurs.