La planète Mars a abrité de l’eau liquide dans son passé, c’est attesté. Selon une récente étude publiée dans la revue Pnas, une nouvelle découverte fait supposer la présence de suffisamment d’eau pour un océan, il y a 3 milliards d’années. La question de savoir où est passée cette eau demeure entière.

The Conversation

S'il est maintenant admis que le lointain passé de Mars comportait de l’eau liquide, la présence d'un océan aussi récent que 3 milliards d'années semblait impossible. Pourtant, nous venons de publier une étude dans la revue scientifique Pnas qui montre le contraire, en permettant de simuler le système climatique martien de cette époque. À la même période sur Terre, la vie s'est développée pour conquérir un grand nombre d'écosystèmesécosystèmes.

Le climatclimat était vraisemblablement froid sur les continents équatoriaux, mais l'océan polaire a pu rester liquide, comme le montre un certain nombre d'indices géologiques. Dans ce scénario, notre planète sœur aurait aussi pu être largement propice au développement de la Vie avant de devenir la Planète rouge. Un océan stable apporterait l'eau liquide nécessaire à la Vie sur des grandes échelles de temps en tant que solvantsolvant chimique, mais aussi pour protéger des radiations stellaires. Ces conditions semblent nécessaires, mais certainement pas suffisantes et l'apparition de la Vie est une question ouverte de la Science du XXIe siècle. Il faut rappeler qu'à ce jour, aucune trace de Vie n'a été découverte ailleurs que sur Terre, que ce soit sur Mars ou n'importe où dans l'UniversUnivers.

 

La présence d'eau liquide sur Mars il y a 3,5-4 milliards d'années (à l'ère géologiqueère géologique nommée Noachienne) est attestée par la présence de vallées ramifiées. Ces vallées sont formées par de l'eau liquide, le plus généralement sous forme de pluie ou de fontefonte de neige. L'écoulement de l'eau produit de petites rivières au profil d'érosion en V qui fusionnent pour devenir des rivières plus grandes et ainsi de suite : le paysage final est un réseau de vallées ramifiées, se jetant parfois dans des lacs.

Les vallées glaciaires, quant à elles, sont de formes différentes dues à l'érosion glaciaire massive, au profil en U et moins ramifiées. Pourquoi Mars a pu garder traces de ces processus si lointains dans le temps alors que c'est impossible sur Terre ? Sur Terre, nous avons la tectonique des plaques, qui a rassemblé tous les continents il y a 200 millions d'années en un supercontinentsupercontinent : la PangéePangée. Par conséquent, sur Terre, il est impossible de trouver des paysages plus anciens. Sur Mars, la tectonique des plaquestectonique des plaques n'existe pas et les paysages restent figés en accumulant progressivement les stigmatesstigmates du temps.

Un océan dans l’hémisphère nord de Mars

La présence dans l'hémisphère nordhémisphère nord d'un océan polaire est controversée, mais plusieurs équipes ont identifié une ancienne ligne de rivages cohérente. Récemment, une nouvelle découverte a été faite : l'identification de dépôts de mégatsunamis, indiquant indirectement la présence d'un océan, et même l’identification du cratère d’impact à l’origine de ce dépôt. Le cratère de Lomonosov a une forme particulière qui indiquerait sa formation dans un océan. L'âge estimé est de 3 milliards d'années à la fin de l'ère géologique appelée Hesperienne.

 

Comment estimer l'âge d'une surface planétaire ? Les astrogéologues utilisent la méthode de comptage de cratère basée sur un principe très simple : les cratères s'accumulent avec le temps. Une surface ancienne est donc une surface plus cratérisée qu'une surface jeune. Cette méthode donne âge relatif (plus ancien/plus jeune), mais pour avoir un âge absolu, il faut avoir la correspondance entre la densité de cratère et un âge d'exposition. Ce travail-là a pu être fait sur la LuneLune d'après les datations absolues des échantillons ramenées sur Terre. Pour Mars, un travail de modélisationmodélisation a permis d'établir la correspondance entre densité de cratère et âge absolu.

La controverse scientifique majeure à propos de l'océan martien provient du fait que les précédentes modélisations climatiques ne permettaient pas de simuler un océan stable à cette période : toute l'eau s'accumulait sur les montagnes sous forme de neige. Notre étude publiée dans le journal Pnas, menée en collaboration entre une équipe de l'Université Paris-Saclay/CNRS/GEOPS et du NASA/GISS vient de construire une simulation de climat, comportant deux nouveaux ingrédients essentiels : la circulation océanique et les glaciersglaciers. En ajoutant ces deux processus, ces nouvelles simulations climatiquessimulations climatiques montrent un océan stable dans l'hémisphère Nord, même pour des températures moyennes de Mars inférieures à 0 °C. L'océan, malgré sa position polaire, ne gèle pas grâce aux courants océaniques qui ramènent de l'eau chaude vers les pôles. D'autre part, ces simulations prédisent la présence de glaciers qui ramènent la glace des hauts-plateaux vers l'océan. Ces prédictions sont en accord avec les interprétations géologiques des images qui indiquent la présence de ces vallées glaciaires.

Modéliser le climat de Mars

Simuler le climat de Mars il y a 3 milliards d'années n'est pas une mince affaire. Il faut se munir d'une représentation numériquenumérique du climat, basée sur des principes physico-chimiques, du même type que celles utilisées pour simuler le climat terrestre, mais adaptées à Mars. Il faut tenir compte du fait que d'une part Mars est plus loin du SoleilSoleil que la Terre et reçoit donc moins d'énergieénergie, et que d'autre part le soleil éclairait moins qu'aujourd'hui. Dans ces conditions, l'éclairement solaire de Mars à cette époque est seulement un tiers de ce que reçoit la Terre aujourd'hui.

Pour obtenir des conditions tempérées et de l'eau liquide en surface, le flux solaire plus faible doit être compensé par des gaz à effet de serregaz à effet de serre importants, et une forte densité atmosphérique. Une pression atmosphériquepression atmosphérique de 1 barbar (comme sur la Terre actuelle, mais 100 fois plus qu'actuellement sur Mars) est nécessaire pour avoir de l'eau liquide, mais le CO2 (dominant actuellement sur Mars) n'est pas assez puissant à lui seul pour atteindre le point de fusionfusion de l'eau (0 °C). Un autre gaz à effet de serre puissant est nécessaire : l'équipe scientifique a donc utilisé dans son modèle une atmosphèreatmosphère avec 90 % de CO2 et 10 % de H2. Ce gaz à effet de serre très puissant aurait pu être relargué par le volcanismevolcanisme intense de l'époque ou le dégazagedégazage lors des impacts météoriques.

Les résultats montrent que le climat continentalclimat continental aurait dû être le suivant : une zone chaude et humide à proximité du rivage, avec des températures moyennes annuellesannuelles supérieures à 0 °C et de la pluie. Une zone froide et sèche avec des températures inférieures à 0 °C sur tous les hauts plateaux de l'hémisphère sudhémisphère sud de Mars. Dans cette seconde zone, les montagnes les plus hautes accumulaient de la neige qui se transformait en glacier s'écoulant vers l'océan pour boucler le cycle. Les prédictions de ce climat sont en accord avec la présence de réseaux de vallées ramifiées proches des côtes et la présence de grandes vallées glaciaires issues des zones d'accumulation de neige.

Carte climatique de Mars il y a 3 milliards d’années. Les couleurs indiquent les zones climatiques. Les flèches indiquent les traces de glacier et de réseaux de vallées ramifiées visibles encore actuellement. © F. Schmidt et coll., <em>Pnas,</em> 2022
Carte climatique de Mars il y a 3 milliards d’années. Les couleurs indiquent les zones climatiques. Les flèches indiquent les traces de glacier et de réseaux de vallées ramifiées visibles encore actuellement. © F. Schmidt et coll., Pnas, 2022

 

Schéma du cycle de l’eau sur Mars, il y a 3 milliards d’années. Les flèches indiquent des flux en 1015 kg/an. © F. Schmidt et coll., <em>Pnas,</em> 2022
Schéma du cycle de l’eau sur Mars, il y a 3 milliards d’années. Les flèches indiquent des flux en 1015 kg/an. © F. Schmidt et coll., Pnas, 2022

L'histoire des éléments volatils (liquide, glace, gaz) sur Mars et de l'eau n'est manifestement pas parfaitement comprise au cours de l'histoire martienne. Quelle est la quantité d'eau disponible au cours du temps ? Sous quelle forme est-elle : glace, liquide, permafrostpermafrost, minérauxminéraux hydratés ? Cette publication scientifique suppose qu'il y avait assez d'eau pour un océan, mais ce qui est arrivé à cette eau par la suite est un grand mystère ! Plusieurs hypothèses peuvent être formulées : l’échappement de l’atmosphère dans l’espace, le stockage souterrain sous forme de glace (permafrost) ou de minéraux hydratés. De toute évidence, l'eau des réservoirs actuels martiens issue des calottes polairescalottes polaires et des glaciers ne suffit pas pour alimenter un océan.

Pour compléter cette étude, nous souhaitons maintenant scruter plus précisément les indices des vallées glaciaires martiennes de cette époque à partir des images satellites. Le rover chinois Zhurong a atterri en mai 2021 dans la région du paléo-océan. Nous nous attendons à trouver des preuves de l'océan dans les roches qu'ils examineront. Prochainement, dans moins d'une dizaine d'années, Mars Ice Mapper, le nouveau projet de mission de la NasaNasa doté d'un sondeur radar sans précédent, sera capable d'étudier la structure du sous-sol. Cette mission nous donnera sûrement de nouveaux arguments à propos de l'océan martien !The Conversation

 


Sur Mars, un tsunami géant révèle un ancien océan

De nouveaux indices relevés dans un cratère à l'origine d'un immense tsunamitsunami suggèrent la présence d'un océan tardif sur Mars il y a trois milliards d'années seulement. L'impacteurimpacteur a créé un cratère de 120 kilomètres de diamètre dans un océan peu profond localisé dans l'hémisphère nord de la Planète rouge.

Article publié le 16 juillet 2019, Insu

L'océan sur Mars a toujours fait débat au sein de la communauté scientifique. La recherche d'indices prouvant ou non la présence de cet océan dans son hémisphère nord est un véritable défi pour les astronomesastronomes. L'hypothèse que les plaines du nord furent un jour recouvertes par un océan est renforcée par l'identification du cratère à l'origine d'un méga-tsunami ayant recouvert les paléo-rivages de la région d'Arabia Terra.

Sur la Terre, les cratères marins présents dans les fonds océaniques sont liés à d'ancien mega-tsunamis, comme celui de Chicxulub à l'origine du cataclysme il y a 66 millions d'années, et dont on trouve encore aujourd'hui la trace grâce aux dépôts clairement identifiés le long des paléo-côtes du golfe du Mexique. Ces cratères marins terrestres sont connus pour présenter une morphologiemorphologie bien particulière. Au moment de l'impact dans un océan peu profond, il se forme une cavité transitoire qui va subir des déformations importantes causées par le contexte marin avec des remparts de cratères larges et effondrés, des dépôts importants de sédimentssédiments dans le cratère lors du remplissage soudain du cratère par la mer.

C'est en utilisant ces mêmes indices que les géomorphologues François Costard, Antoine Séjourné, Anthony Lagain et Sylvain Bouley, du Laboratoire de géosciences Paris-Sud (Geops, CNRS, Université Paris-Saclay), Karim Kelfoun du Laboratoire magmamagma et volcansvolcans (LMV, OPGC, Université Clermont-Auvergne, CNRS, IRDIRD, CNRS, Université Jean Monnet) et Franck Lavigne du Laboratoire de géographie physiquephysique (LGP, CNRS, Université Panthéon Sorbonne, Université Paris-Est Créteil), ont pu retrouver le cratère Lomonosov (120 kilomètres de diamètre) qui serait à l'origine du gigantesque tsunami.

Le cratère Lomonosov de 120 kilomètres de diamètre. Données altitudinales de l’instrument Mola (<em>Mars Orbiter Laser Altimeter</em>). © Nasa, JPL, USGS
Le cratère Lomonosov de 120 kilomètres de diamètre. Données altitudinales de l’instrument Mola (Mars Orbiter Laser Altimeter). © Nasa, JPL, USGS

Un cratère pas comme les autres

C'est à partir d'une approche morphométrique couplant les images de la caméra HRSC de la sonde Mars ExpressMars Express de l'ESAESA et les données topographiques notamment qu'il a été possible de mettre en évidence le caractère unique du cratère Lomonosov. Celui-ci se différencie des autres cratères par une topographie bien particulière comme les nombreux effondrementseffondrements dans son rempart, des ouvertures le long de ceux-ci, leur déficit en volumevolume et le remplissage en sédiments dans le fond du cratère. Autant d'indices qui ne peuvent s'expliquer que par le contexte marin provoquant l'effondrement de la cavité transitoire au moment de l'impact dans un océan peu profond. Il se trouve que l'âge de ce cratère (par la technique du comptage de cratère) correspond à l'âge des dépôts de tsunamis précédemment identifiés dans la région d'Arabia Terra par cette équipe il y a un an.

On savait que Mars contenait un océan primitifocéan primitif mais la récente identification de ce cratère à l'origine des dépôts de tsunamis suggère qu'un océan était aussi présent bien plus récemment encore, il y a environ trois milliards d'années seulement. Cette conclusion de l'étude qui vient de paraître dans la revue JGR Planets relance le débat de l’existence de cet hypothétique océan et a de fortes implications sur les conditions climatiques qui devaient régner à cette époque.

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Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet publié le 23 mai 2016

La planète Mars aurait bien eu un vaste océan dans l'hémisphère nord. Il aurait d'ailleurs perduré plus longtemps qu'on ne le pensait jusque-là. C'est ce que semble révéler une preuve originale : les traces de deux raz-de-marée géants dont les vaguesvagues de 120 m de hauteur auraient dévasté les côtes et emporté les rochers loin sur les hauteurs du sud.

Un océan martien, empli d'eau salée, a sans doute un jour recouvert une partie de l'hémisphère nord de Mars, où les altitudes sont très basses. Toutefois, son étendue et sa durée d'existence restent hypothétiques. © Nasa, GSFC
Un océan martien, empli d'eau salée, a sans doute un jour recouvert une partie de l'hémisphère nord de Mars, où les altitudes sont très basses. Toutefois, son étendue et sa durée d'existence restent hypothétiques. © Nasa, GSFC

Il y a seulement 3,4 milliards d'années, Mars abritait sans doute un océan. Son existence était suspectée mais aucune preuve ne venait étayer cette hypothèse. La présence d'eau liquide, elle, est attestée puisque, notamment, Curiosity a visité le lit d'une ancienne rivière. Cependant, la géologiegéologie martienne ne montre aucune ligne de rivage qui pourrait témoigner d'un océan martien. Si elle est invisible, c'est parce que la côte a été entièrement détruite par un (et même deux) raz-de-marée, explique une équipe menée par Alexis Rodriguez, du Planetary Science Institute (PSI, Tucson, Arizona, États-Unis). Générées par la chute d'astéroïdesastéroïdes, des vagues géantes de 120 m de hauteur auraient complètement détruit les reliefs côtiers.

L'équipe s'appuie sur des images de plusieurs orbiteurs (Mars OdysseyMars Odyssey, Mars Global Surveyor et Mars Reconnaissance OrbiterMars Reconnaissance Orbiter) au niveau d'une région particulière, qui marque la frontière entre les vastes plaines de l'hémisphère nord, dont l'altitude est basse, et les hauts plateaux de l'hémisphère sud. Dans la région Chryse Planitia, les chercheurs y ont repéré de vastes chenaux chargés de dépôts, de plusieurs centaines de kilomètres de long, et le sens d'écoulement va... du bas vers le haut, comme si d'énormes massesmasses de liquide avaient remonté les pentes et déposé de lourds matériaux. Les zones ainsi inondées représenteraient entre 800.000 et un million de km2, avancent les chercheurs dans l'article disponible dans la revue Scientific Reports.

Les rivages (<em>shoreline</em>) de l'océan martien d'il y a 3,4 milliards d'années, à gauche, dans la région Chryse Planitia, avant le premier raz-de-marée (en bleu clair) et avant le second (en bleu foncé). À droite, en marron, les zones inondées par les deux raz-de-marée, le premier en haut et le second en bas. (Cliquez sur l'image pour l'agrandir.) © Alexis Rodriguez
Les rivages (shoreline) de l'océan martien d'il y a 3,4 milliards d'années, à gauche, dans la région Chryse Planitia, avant le premier raz-de-marée (en bleu clair) et avant le second (en bleu foncé). À droite, en marron, les zones inondées par les deux raz-de-marée, le premier en haut et le second en bas. (Cliquez sur l'image pour l'agrandir.) © Alexis Rodriguez

Du temps en plus pour une vie martienne

Selon eux, l'étude montre les traces de deux raz-de-marée géants, survenus à environ trois millions d'années d'écart. Les impacteurs ont dû former des cratères d'environ 30 km de diamètre. Ce genre de collision, à l'époque (la période appelée Hespérien), devait survenir tous les 2,7 millions d'années en moyenne, ce qui incite les auteurs à estimer que d'autres impacts ont dû conduire à des raz-de-marée semblables ou moins gigantesques. Les traces laissées par ces deux évènements sont différentes. Durant le premier, c'est de l'eau liquide qui aurait déferlé vers les hauts plateaux. Le climat de Mars, ensuite, a dû changer et se refroidir car le second raz-de-marée aurait envahi les terres émergées avec un mélange d'eau et de glace. C'est donc un océan couvert d'une banquisebanquise qui recouvrait alors une partie de l'hémisphère nord.

La datation de ces raz-de-marée, en elle-même, surprend, et pose problème. Jusque-là, la présence d'eau liquide à la surface de Mars, formant de larges étendues dans l'hémisphère nord, semblait possible pour une période plus ancienne, s'achevant plutôt vers -3,8 milliards d'années. Si un océan a existé jusqu'à -3,4 milliards d'années, il faut désormais expliquer comment l'atmosphère a pu le maintenir.

Par ailleurs, cette duréedurée plus longue aurait laissé 400 millions d'années de plus à une chimie prébiotiqueprébiotique ou à l'évolution d'êtres vivants sur Mars. Sur Terre, à cette époque, des bactériesbactéries avaient commencé à former les stromatolithesstromatolithes et la photosynthèsephotosynthèse n'allait pas tarder à démarrer, ou l'avait déjà fait. Cette découverte pourrait donc donner des idées pour le choix de sites d'atterrissage de futures missions. Les auteurs, eux, promettent (dans le communiqué du PSI) de partir au Tibet explorer des anciens lacs qui semblent avoir été façonnés par des évènements ressemblant à des raz-de-marée...