Deux images de Mars acquises en mai 2016, celle de gauche par le télescope spatial Hubble, alors situé à près de 76 millions de kilomètres de la Planète rouge, et celle de droite par une petite caméra de la sonde Mars Express, alors située à plusieurs centaines de kilomètres du sol martien. © Esa, Nasa

Sciences

Atmosphère de Mars : la sonde Maven raconte son histoire

ActualitéClassé sous :Nasa , Maven , atmosphère martienne

Par Rémy Decourt, Futura

Grâce à la sonde Maven, lancée en novembre 2013 par la Nasa, un pas important vient d'être fait dans la compréhension de l'histoire de Mars. L'équipe scientifique de la mission a en effet présenté des résultats expliquant en détail comment la Planète rouge a perdu son atmosphère.

Il y a environ quatre milliards d'années, alors que la vie apparaissait sur Terre, Mars possédait elle aussi une atmosphère dense. Celle-ci lui permettait de conserver chaleur et humidité de façon à rendre la planète habitable.

Une forme de vie aurait donc pu apparaître sur Mars avant que cet environnement habitable ne subisse une forte dégradation avec des conséquences néfastes pour l'évolution de la vie, probablement restée à un stade très primitif. Lorsque la planète s'est refroidie et asséchée, toute vie aurait pu être conduite sous terre ou forcée de rester dans de rares oasis de surface et s'éteindre.

Aujourd'hui, la Planète rouge n'a quasiment plus d'atmosphère. Elle est si peu dense que les rovers qui se posent dessus sont contraints d'atteindre des sites très bas en altitude pour avoir suffisamment de temps pour freiner. Cela explique d'ailleurs pourquoi aucune agence ne tente un atterrissage sur des plateaux ou des sommets de montagne.

En perdant progressivement son atmosphère, dense au début de sa formation, Mars est devenue une planète désertique et froide (à gauche) alors qu'elle était chaude et humide (à droite). © Nasa

Le rôle du vent solaire et du rayonnement ultraviolet

Pour comprendre l'histoire de cette atmosphère, la Nasa a lancé, en novembre 2013, la sonde Maven. Toujours en activité autour de Mars, cette sonde a pour but de mesurer quantitativement le taux de perte des composés atmosphériques qui, en quelque sorte, « s'échappent » dans le milieu interplanétaire afin de pouvoir extrapoler les taux d'échappement tout au long de l'histoire de la planète. Les scientifiques espèrent ainsi mieux comprendre le ou les mécanismes prépondérants qui ont été à l'œuvre depuis la formation de Mars. En novembre 2015, l'équipe scientifique de Maven a rendu public des résultats montrant que les gaz atmosphériques s'évaporaient dans l'espace au rythme de 100 grammes par seconde (voir l'article ci-dessous).

Aujourd'hui, cette même équipe décrit comment l'atmosphère martienne s'amenuise irrémédiablement. Elle confirme aussi que le vent et le rayonnement ultraviolet solaires sont responsables de cette disparition programmée. En effet, le Soleil, aux premières centaines de millions d'années de son existence, soufflait un vent et émettait un rayonnement ultraviolet plus intense qu'aujourd'hui. Cela laisse à penser que ce processus d'érosion était probablement beaucoup plus important aux premières heures de l'histoire de Mars qu'à l'heure actuelle. Un sort que la Terre n'a pas connu et ne devrait pas subir en raison du bouclier magnétique qui la protège, inexistant autour de Mars.

Une signature solide de la perte d'atmosphère sur Mars

« Nous avons déterminé que la majeure partie du gaz présent dans l'atmosphère de Mars a été perdu dans l'espace », déclare Bruce Jakosky, chercheur à l'université du Colorado (Boulder, États-Unis) et responsable scientifique de la mission Maven. Pour cela, son équipe s'est appuyée sur les mesures les plus précises jamais effectuées des isotopes de l'argon dans l'atmosphère de Mars, dont on sait qu'ils ont des masses différentes. Puisque le plus léger des deux s'échappe plus facilement, l'équipe a utilisé l'abondance relative des deux isotopes dans la haute atmosphère et à la surface de la planète pour estimer la fraction du gaz atmosphérique perdu dans l'espace.

Résultat, « environ 65 % de ce gaz (l'argon) qui se trouvait dans l'atmosphère a été perdu dans l'espace ». À partir de ce résultat, les chercheurs ont estimé la perte des autres gaz de l'atmosphère martienne, dont le gaz carbonique (CO2), principal constituant. « La majeure partie de ce CO2 gaz a également été perdu dans l'espace », précise B. Jakosky. Ces travaux constituent un « pas important dans la compréhension de l'histoire de la planète Mars au sens large », souligne Elsayed Talaat, scientifique du programme Maven. « Dans un contexte plus large, cette avancée sur la connaissance de l'histoire de Mars nous renseigne aussi sur les processus qui peuvent modifier l'habitabilité d'une planète au fil du temps », conclut-il.

L'étude de l'atmosphère martienne va se poursuivre, et même s'accélérer avec l'orbiteur TGO (Trace gas orbiter), de la mission ExoMars 2016, de l'Agence spatiale européenne (ESA). Lancée en mars 2016 et arrivée autour de Mars en octobre de la même année, cette sonde s'installera sur son orbite définitive en octobre 2017. Elle doit réaliser une cartographie complète et inédite des gaz aujourd'hui présents dans l'atmosphère martienne. Des données que l'équipe scientifique de Maven ne manquera pas d'utiliser pour affiner son modèle de prédiction des taux passés et futurs de l'érosion de l'atmosphère martienne.

Pour en savoir plus

Maven l'a prouvé : le vent solaire use l'atmosphère de Mars

Article de Rémy Decourt publié le 6 novembre 2015

Les vents solaires, plus puissants dans un lointain passé, ont érodé l'atmosphère de Mars lorsque la planète a perdu son champ magnétique : la sonde Maven, en orbite basse depuis un an, a confirmé ce scénario grâce à l'observation des effets d'une éruption du Soleil. Ce qui signifie que la Planète rouge a effectivement connu, il y a longtemps et durant peu de temps, un environnement proche de celui de la Terre, comme nous l'explique l'astronome François Leblanc.

La mission Maven (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission), de la Nasa, étudie l'évolution de l'atmosphère martienne et notamment son échappement dans l'espace. L'idée est d'observer ces processus avec les conditions d'ensoleillement actuelles et de recueillir « suffisamment d'informations pour extrapoler cette connaissance vers le passé, il y a quelque 4 milliards d'années quand le Soleil était plus jeune et très différent de ce qu'il est aujourd'hui » nous explique François Leblanc, directeur de recherche CNRS au laboratoire Atmosphères, milieux, observations spatiales (Latmos) et utilisateur des données Maven.

Depuis cette lointaine époque, un certain nombre de paramètres comme le vent solaire et le flux ultraviolet ont potentiellement changé. C'est aussi à cette époque que l'eau à l'état liquide de Mars a disparu. On suppose que très peu de temps après sa formation, Mars était entourée d'une atmosphère dense, épaisse et humide avec un cycle de l'eau complet, laquelle se trouvait donc à l'état solide, liquide et gazeux.

La disparition de l'état liquide de l'eau s'expliquerait par la perte de l'atmosphère. L'effet de serre s'est alors beaucoup atténué, la pression et la température ont baissé, ce qui a eu pour effet de perturber le cycle de l'eau. Concrètement, tous les processus liés à l'eau liquide ont disparu et Mars est devenue une sorte de désert glacé, morne et désolé.

Pour obtenir ces données, la sonde Maven réalise des plongées dans l’atmosphère jusqu'à environ 120 kilomètres de la surface de façon à effectuer des mesures sur la totalité de la haute atmosphère martienne, dont la densité varie d'un facteur 10 entre 120 km et 150 km d’altitude. Cette stratégie d’acquisition est tout de même risquée pour le satellite. La décélération importante peut en effet causer des problèmes sur les servitudes ou les instruments. C’est pourquoi seulement cinq plongées ont été réalisées à ce jour. © Nasa

L'érosion de l'atmosphère est décuplée lors des éruptions solaires

La sonde Maven doit permettre de comprendre comment l'échappement atmosphérique actuel dépend de ces paramètres, de façon à « retracer l'histoire de l'intensité de l'échappement de cette atmosphère ». Pour y parvenir, le principe est d'observer cette fuite de gaz ionisé lorsque l'activité du Soleil est inhabituelle, avec des éjections de masse coronale. Il s'agit de comprendre pourquoi et comment l'atmosphère de Mars est passée de quelques centaines de millibars à environ 7 aujourd'hui. « Actuellement, il s'échappe en moyenne seulement quelques grammes d'atmosphère chaque seconde, alors que plus de 80 % de l'atmosphère primitive de Mars a disparu, ce que l'on ne peut expliquer avec l'échappement atmosphérique actuel. »

Plus d'un an après son arrivée autour de la planète Mars, la sonde Maven apporte une première réponse grâce, notamment, à l'observation des effets d'une éjection de masse coronale du Soleil survenue le 8 mars 2015. Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Geophysicical Research Letters et montrent que « le vent solaire est le principal responsable de l'érosion atmosphérique de Mars ». L'analyse des données indique en effet que lors de cet événement du mois de mars « le vent solaire a expulsé le gaz atmosphérique à un rythme voisin de 100 grammes par seconde ». Cet échappement se produit principalement à l'interface entre la haute atmosphère martienne et l'enveloppe magnétique produite par son interaction avec le vent solaire (environ 75 %) et de façon moindre au niveau des pôles (25 % environ). Ce taux d'érosion atmosphérique « augmente donc significativement - d'un facteur 10 à 100 - lors des tempêtes solaires, suggérant qu'il fut bien plus élevé par le passé, lorsque le Soleil était plus jeune et bien plus actif ».

Ce résultat renforce le scénario admis jusqu'ici. Quand le champ magnétique martien a disparu (parce que cette petite planète s'est refroidie vite), le vent solaire, encore puissant à cette époque, a érodé de façon très significative l'atmosphère, à un rythme très supérieur à ce qu'il est aujourd'hui. Comme le souligne le communiqué de l'Irap, le vent solaire est donc « un facteur clé qui transforme une planète potentiellement habitable en un environnement inhospitalier ». En tout, quatre articles viennent d'être publiés simultanément sur les observations de la sonde Maven, dont, notamment, dans la revue Science, l'observation d'une vaste aurore diffuse. Mars n'ayant pas de champ magnétique, elle n'était pas polaire et s'étalait beaucoup plus largement en latitude, et même sur toutes les longitudes.

Ainsi donc, il ne fait plus guère de doute que la planète Mars était jadis dotée d'une « atmosphère suffisamment dense et chaude pour garantir la présence d'eau liquide en surface, voire abriter certaines formes de vie, et que cet échappement atmosphérique induit par le vent solaire a eu un impact majeur sur l'évolution du climat martien vers le stade froid et aride que nous lui connaissons aujourd'hui ».

L'atmosphère martienne est-elle actuellement toujours en train de décliner ? Il est très difficile de répondre à cette question mais François Leblanc s'y hasarde. « On peut imaginer qu'elle est en permanence érodée et que l'on assiste à la fin d'une atmosphère beaucoup plus dense qui va peu à peu disparaître. Seconde hypothèse, il existe encore des mécanismes de dégazage à la surface et on aurait atteint un état stationnaire avec un équilibre entre échappement et dégazage de la croûte de la planète. »

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