Le cycle chimique décrit des systèmes de circulation répétée de produits chimiques entre d'autres composés, états et matériaux, et retour à leur état d'origine, qui se produit dans l'espace et sur de nombreux objets dans l'espace, y compris la Terre. On sait que le cycle chimique actif se produit dans les étoiles, de nombreuses planètes et des satellites naturels.
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Un exemple de cycle chimique, une représentation schématique d'un cycle de l'azote sur Terre. Ce processus aboutit au recyclage continu de l'azote gazeux impliquant l'océan.
Le cycle chimique joue un rôle important dans le maintien des atmosphères planétaires, des liquides et des processus biologiques et peut grandement influencer le temps et le climat. Certains cycles chimiques libèrent de l'énergie renouvelable, d'autres peuvent donner lieu à des réactions chimiques complexes, à des composés organiques et à une chimie prébiotique. Sur les corps terrestres tels que la Terre, les cycles chimiques impliquant la lithosphère sont appelés cycles géochimiques. Les cycles géochimiques en cours sont l'un des principaux attributs des mondes géologiquement actifs. Un cycle chimique impliquant une biosphère est appelé cycle biogéochimique.
Dans la plupart des étoiles fusionnant de l'hydrogène, y compris le Soleil, un cycle chimique impliqué dans la nucléosynthèse stellaire se produit, connu sous le nom de cycle carbone-azote-oxygène ou (cycle CNO). En plus de ce cycle, les étoiles ont également un cycle d'hélium[1]. Divers cycles impliquant des gaz et des poussières se sont produits dans les galaxies[2].
La majorité des cycles chimiques connus sur Vénus impliquent son atmosphère dense ainsi que des composés de carbone et de soufre, le plus important étant un cycle de dioxyde de carbone intense[3]. L'absence d'un cycle complet du carbone incluant un cycle géochimique du carbone, par exemple, serait une cause de son effet de serre incontrôlable, en raison de l'absence d'un puits de carbone substantiel[4]. De plus, des cycles de soufre, ainsi que des cycles d'oxyde de soufre, se produisent également. L'oxyde de soufre dans la haute atmosphère se traduit par la présence d'acide sulfurique[5] à son tour retourne aux oxydes par photolyse[6]. Les indications suggèrent également un cycle de l'ozone sur Vénus similaire à celui de la Terre[7].
Un certain nombre de types différents de cycles chimiques et des cycles géochimiques se produisent sur Terre. Les cycles biogéochimiques jouent un rôle important dans le maintien de la biosphère. Les cycles chimiques actifs notables sur Terre comprennent:
Cycle de l'eau - déplace l'eau en continu sur, au-dessus et au-dessous de la surface en passant d'un état de liquide, de solution, de glace et de vapeur.
Cycle du méthane - déplace le méthane entre les sources géologiques et biogéochimiques et les réactions dans l'atmosphère.
Cycle de l'hydrogène - un cycle biogéochimique provoqué par une combinaison de processus biologiques et abiologiques.
Cycle du phosphore - le mouvement du phosphore à travers la lithosphère, l'hydrosphère et la biosphère.
Cycle du soufre - un processus biogéochimique résultant de la minéralisation du soufre organique, de l'oxydation, de la réduction et de l'incorporation dans des composés organiques.
Cycle de la roche - bascule la roche entre ses trois formes: sédimentaire, métamorphique et ignée.
Cycle du mercure - un processus biogéochimique dans lequel le mercure naturel est bioaccumulé avant de se recombiner avec le soufre et de retourner aux sources géologiques sous forme de sédiments.
Sources possibles d'un cycle hypothétique du méthane martien.
Des preuves récentes suggèrent que des cycles chimiques similaires à ceux de la Terre se produisent à une moindre échelle sur Mars, facilités par la mince atmosphère, y compris le dioxyde de carbone (et peut-être le carbone)[10], eau[11], soufre[12] méthane[13], cycles d'oxygène[14], ozone[15], et azote[16]. De nombreuses études indiquent des cycles chimiques beaucoup plus actifs sur Mars dans le passé, mais le faible paradoxe du jeune Soleil s'est avéré problématique pour déterminer les cycles chimiques impliqués dans les premiers modèles climatiques de la planète[17].
Tores gazeux de Jupiter générés par Io (vert) et Europa (bleu)
Jupiter, comme toutes les géantes gazeuses, a un cycle du méthane atmosphérique[18]. Des études récentes indiquent un cycle hydrologique eau-ammoniac très différent du type opérant sur les planètes terrestres comme la Terre et aussi un cycle de sulfure d'hydrogène[19].
Des cycles chimiques importants existent sur les lunes de Jupiter. Des preuves récentes indiquent qu'Europa possède plusieurs cycles actifs, notamment un cycle de l'eau[20]. D'autres études suggèrent un cycle d'oxygène[21] et de dioxyde de carbone induit par rayonnement[18]. Io et Europa semblent avoir des cycles de soufre radiolytique impliquant leurs lithosphères[22]. De plus, on pense qu'Europa a un cycle de dioxyde de soufre. De plus, le tore plasma Io contribue à un cycle du soufre sur Jupiter et Ganymède[23]. Des études impliquent également des cycles d'oxygène actif sur Ganymède [24] et des cycles d'oxygène et de dioxyde de carbone radiolytique sur Callisto.
Un graphique illustrant les mécanismes du cycle méthanologique de Titan.
En plus du cycle du méthane de Saturne[18], certaines études suggèrent un cycle de l'ammoniac induit par photolyse similaire à celui de Jupiter[25].
Les cycles de ses lunes sont d'un intérêt particulier. Les observations de Cassini – Huygens sur l' atmosphère de Titan et les interactions avec son manteau liquide donnent lieu à plusieurs cycles chimiques actifs dont un méthane[26], hydrocarbure[27], hydrogène[28] et carbone[29] cycles. Encelade a un cycle hydrologique actif, silicaté et éventuellement azoté[30],[31].
Uranus a un cycle de méthane actif[32]. Le méthane est converti en hydrocarbures par photolyse qui se condense et, à mesure qu'ils sont chauffés, libère du méthane qui monte dans la haute atmosphère.
Des études de Grundy et al. (2006) indiquent que les cycles du charbon actif fonctionnent sur Titania, Umbriel et Ariel et Oberon par la sublimation et le dépôt continus de dioxyde de carbone, bien qu'une partie soit perdue dans l'espace sur de longues périodes de temps[33].
La chaleur interne et la convection de Neptune entraînent des cycles de méthane[18], carbone[34], et une combinaison d'autres volatils dans la lithosphère de Triton[35].
Les modèles ont prédit la présence de cycles d'azote saisonniers sur la lune Triton[36], mais cela n'a pas été soutenu par les observations à ce jour.
Les modèles prédisent un cycle de l'azote saisonnier sur Pluton[37] et les observations de New Horizons semblent le soutenir.
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