La sonde TGO de l'Agence spatiale européenne (mission ExoMars 2016) a été lancée en mars 2016 et a atteint Mars en octobre 2016. Elle a rejoint son orbite définitive autour de Mars en avril 2018, après une phase d'aérofreinage de plusieurs mois. © ESA, D. Ducros
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Mars : pourquoi l'eau disparaît plus vite que prévu ?

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Mars continue de perdre son eau à un rythme bien plus rapide que prévu. Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au Latmos, nous explique en quoi cette découverte est intéressante et pourquoi les projets d'exploration humaine de Mars ne seront évidemment pas remis en cause.

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Utilisant des données acquises par la sonde Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA et de Roscosmos, une équipe de recherche internationale vient de mettre en évidence que la disparition progressive de l'eau martienne se déroule dans la très haute atmosphère à un rythme plus important que la théorie et les observations passées ne le laissaient envisager. Pour cela, l'instrument Atmospheric Chemistry Suite (ACS) a réalisé entre avril 2018 et juin 2019, la « climatologie la plus dense à ce jour de la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère de Mars en fonction de l'altitude », nous explique Franck Montmessin, directeur de recherche CNRS au Latmos (Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales), qui dirige en partie ces recherches.

L'intérêt de cette découverte est qu'elle explique « l'existence passée (plusieurs milliards d'années en arrière) d'un climat plus chaud et plus humide ayant conduit aux grandes structures géologiques (lits de rivières, bassins sédimentaires, etc.) et minéralogiques (argiles, sulfates) formées par la présence massive d'eau liquide qui n'existe plus aujourd'hui en surface ». Il y a entre 4 et 3,7 milliards d'années, le climat, très différent d'aujourd'hui, a permis la présence d'eau à l'état liquide sur des échelles de temps de plusieurs millions d'années comme le laissent voir ces structures géomorphologiques.

Certes, il y a un consensus pour expliquer que la perte progressive de l'eau sur Mars « résulte de sa présence dans la très haute atmosphère où elle se dissocie pour former des atomes d'hydrogène capables de s'extraire de la faible gravité martienne », mais il existe des incertitudes sur la vitesse et la fréquence de cet échappement et son évolution dans le temps. Il pourrait avoir été « encore plus massif que précédemment supposé », ce qui expliquerait la rapidité avec laquelle la planète Mars est devenue le monde sec et aride que l'on connait aujourd'hui. Avec ACS, il est maintenant démontré que l'atmosphère de Mars a « abrité un mécanisme beaucoup plus efficace que prévu pour expliquer la disparition de cette eau ».

 Le cycle de l'eau dans l'atmosphère de Mars. Lorsque les grands réservoirs de glace aux pôles sont éclairés par le Soleil, de la vapeur d'eau est libérée dans l'atmosphère. Ces molécules d'eau sont alors transportées par les vents vers des altitudes plus élevées et plus froides où, en présence de particules de poussière, elles peuvent se condenser en nuages, et empêcher une progression rapide, et en masse de l’eau vers les altitudes supérieures (comme sur Terre). Sur Mars, la condensation est souvent entravée. L'atmosphère est donc régulièrement sursaturée en vapeur d’eau, ce qui permet à encore plus d’eau d’atteindre la haute atmosphère où le rayonnement UV du Soleil les dissocie en atomes. La découverte d’une présence accrue de vapeur d’eau à très haute altitude implique qu’un nombre plus important d’atomes d’hydrogène et d’oxygène sont capables de s’échapper de Mars, amplifiant la perte de l’eau martienne sur le long terme. © ESA

De la vapeur d’eau dans un état de sursaturation extrême

Cette stabilité de l'eau de manière pérenne aux temps passés pourrait avoir été « suffisamment longue pour rendre la planète habitable et pour qu'une forme de vie ait pu émerger ». Cette habitabilité a notamment été démontrée par Curiosity qui a mis en évidence différents indices confirmant la présence d'un ancien lac dans Yellowknife Bay et d'un ancien lit de rivière. Cet été, les rovers Mars 2020 (Nasa) et Rosalind Franklin (Esa) seront lancés à destination de Mars de façon à déterminer si la planète a été habitée. Mars 2020 atterrira dans le cratère Jezero où la Nasa est convaincue que ce site abrite de nombreux fossiles de micro-organismes, s'ils ont existé bien évidemment. Quant à Rosalind Franklin, il se posera dans Oxia Planum, un bassin peu profond et possédant des argiles susceptibles de conserver des biosignatures datant de la période aqueuse il y a un peu moins de quatre milliards d'années.

À partir de ces nouvelles données, les scientifiques souhaitent « améliorer les modèles du climat primitif de Mars l'ayant rendu habitable » de façon à mieux retracer son histoire et les « processus physiques qui ont fait évoluer Mars vers l'état qu'on lui connait aujourd'hui ». D'où la nécessité de mieux se représenter certains phénomènes fondamentaux, dont ce flux d'échappement de l'eau.

Mais, pour les scientifiques, ce qui étonne dans ce résultat, c'est « moins la mesure du taux d'échappement de l'eau que le fait de découvrir de la vapeur d'eau dans un état de sursaturation extrême, ce que l'on ne voit quasiment jamais sur Terre ou très modestement ! », c'est-à-dire que l'atmosphère contient alors « de 10 à 100 fois plus de vapeur d'eau que sa température ne lui permet en théorie d'en contenir ». La théorie veut que toute vapeur en état de sursaturation soit amenée à se condenser pour déclencher la formation de nuages ou les aider à s'épaissir. ACS démontre que ce « phénomène opère beaucoup moins bien sur Mars que sur Terre où il est connu comme un « piège froid » empêchant l'eau d'accéder aux altitudes supérieures ». Le fait que ces poches soient observées de manière récurrente au-dessus de 80 km d'altitude sur Mars implique que l'échappement de l'eau vers l'espace, au travers de celui de l'hydrogène, est grandement facilité.

L'eau nécessaire aux futurs colons de la Planète rouge

Enfin, bien que la Planète rouge perde son eau plus rapidement que prévu, les « stocks d’eau semblent largement suffisants pour soutenir une installation humaine sur Mars ». Cette eau est répartie dans deux grands types de réservoirs que sont les calottes polaires (très exposées au nord, mais enfouies sous des couches sédimentaires au sud) et le pergélisol très présent dans les hautes latitudes. Extraite sous forme de blocs gazeux, cette eau sera utile aux futurs colons qui s'en serviront pour leur consommation quotidienne et utiliseront ces composants (hydrogène et oxygène) pour produire de l'air respirable et des carburants et comburants pour moteurs.

Cette découverte ne va « évidemment pas remettre en cause les projets d’exploration humaine de la planète Mars ». Il faut savoir que la planète contient une si grande quantité d'eau glacée que, fondue, elle représenterait une couche liquide de plusieurs dizaines de mètres entourant la planète. Au rythme du « taux d'échappement de l'eau estimé aujourd'hui, un bon milliard d'années serait nécessaire avant que toute cette eau ne se soit échappée dans l'espace ».

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