Découverte d'un nouveau cycle de l'eau sur Mars

Texte français : Swan et Anne
Le 23/08/2019

Environ tous les deux ans, durant l’été sur l'hémisphère sud de Mars, une fenêtre atmosphérique s'ouvre: Ce n'est qu'à cet endroit et seulement en cette saison que la vapeur d'eau peut s'élever efficacement de la basse atmosphère vers la haute atmosphère. Là, les vents transportent le gaz rare jusqu'au pôle Nord. Pendant qu'une partie de la vapeur d'eau se décompose et s'échappe dans l'espace, le reste redescend près des pôles.
 

La planète a perdu une grande partie de son eau et même aujourd'hui, l'hydrogène continue de s'échapper dans l'espace. (Image: Aynur Zakiro / Pixabay)
La planète a perdu une grande partie de son eau et même aujourd'hui, l'hydrogène continue de s'échapper dans l'espace. (Image: Aynur Zakiro / Pixabay)

Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) en Allemagne, décrivent ce cycle martien inhabituel de l'eau dans un numéro relativement récent de la revue Geophysical Research Letters. Leurs simulations informatiques montrent comment la vapeur d'eau franchit la barrière de l'air froid dans l'atmosphère moyenne de Mars et atteint les couches supérieures de l'air.


Il y a des milliards d'années, Mars aurait pu ressembler à ceci, avec un océan couvrant une partie de sa surface. (Image: NASA / GSFC)
Il y a des milliards d'années, Mars aurait pu ressembler à ceci, avec un océan couvrant une partie de sa surface. (Image: NASA / GSFC)
 

Cette connaissance pourrait aider à comprendre pourquoi Mars – contrairement à la Terre – a perdu la majeure partie de son eau. Il y a des milliards d'années, Mars était une planète riche en eau, avec des rivières et même un océan. Depuis lors, notre planète voisine a radicalement changé: Aujourd'hui, il n'y a plus que de petites quantités d'eau gelée dans le sol et son atmosphère ne contient plus que des traces de vapeur d’eau. La planète pourrait avoir perdu au moins 80 % de son eau d'origine.

Dans la haute atmosphère de Mars, le rayonnement ultraviolet du Soleil divise les molécules d'eau en hydrogène (H) et en radicaux hydroxyles (OH). C’est à partir de là que l'hydrogène s'est échappé dans l'espace. Les mesures effectuées à l'aide de sondes spatiales et de télescopes spatiaux montrent qu'aujourd'hui encore, l'eau est perdue de cette façon. Mais comment est-ce possible? La couche de l'atmosphère moyenne de Mars, comme la tropopause de la Terre, devrait en fait arrêter la montée du gaz.

Cette région est généralement si froide que la vapeur d'eau devrait se transformer en glace. Comment la vapeur d'eau martienne atteint-elle les couches supérieures de l'air? Dans leurs simulations actuelles, les chercheurs russes et allemands montrent un mécanisme jusqu'alors inconnu qui rappelle celui d’une sorte de pompe. Leur modèle décrit de façon exhaustive les écoulements dans toute l'enveloppe gazeuse entourant Mars: de la surface à une altitude de 160 kilomètres.

Leurs calculs montrent que l'atmosphère moyenne normalement glacée devient perméable à la vapeur d'eau deux fois par jour – mais seulement à un certain endroit et à une certaine période de l'année. L'orbite de Mars joue un rôle important dans l’apparition de ce mécanisme: Sa trajectoire autour du Soleil, qui dure environ deux années terrestres, est beaucoup plus elliptique que celle de notre planète. Au point le plus proche du Soleil (qui coïncide à peu près avec l'été de l'hémisphère sud), Mars est environ 42 millions de kilomètres plus près du Soleil qu'à son point le plus éloigné.


Distribution verticale de la vapeur d'eau sur Mars au cours d'une année martienne, montrée ici à 3 heures du matin, heure locale. Ce n'est qu'en été dans l'hémisphère sud que la vapeur d'eau peut atteindre les couches supérieures de l'atmosphère. (Image: GPL, Shaposhnikov et al.: Pompe à eau saisonnière dans l'atmosphère de Mars: Transport vertical vers la thermosphère)
Distribution verticale de la vapeur d'eau sur Mars au cours d'une année martienne, montrée ici à 3 heures du matin, heure locale. Ce n'est qu'en été dans l'hémisphère sud que la vapeur d'eau peut atteindre les couches supérieures de l'atmosphère. (Image: GPL, Shaposhnikov et al.: Pompe à eau saisonnière dans l'atmosphère de Mars: Transport vertical vers la thermosphère)


L'été dans l'hémisphère sud est donc nettement plus chaud que l'été dans l'hémisphère nord. Paul Hartogh de MPS, résume les résultats de la nouvelle étude:

«En été dans l'hémisphère sud, à certaines heures de la journée, la vapeur d'eau peut monter localement avec des masses d'air plus chaudes et atteindre la haute atmosphère.»

Dans les couches supérieures de l'atmosphère, les courants d'air transportent le gaz le long des longitudes jusqu'au pôle Nord, où il se refroidit et redescend. Cependant, une partie de la vapeur d'eau échappe à ce cycle: Sous l'influence du rayonnement solaire, les molécules d'eau se désintègrent et l'hydrogène s'échappe dans l'espace.

Une autre particularité martienne peut renforcer ce cycle hydrologique inhabituel: d'énormes tempêtes de poussière qui s'étendent sur toute la planète et affectent Mars de façon répétée, à des intervalles de plusieurs années.


À maintes reprises, les tourbillons de poussière martiens s'étendent sur toute la planète, comme ici en juin 2018. L'image a été prise du rover Curiosity de la NASA(un robot dont la mission est l’exploration de Mars). Des tempêtes de ce type peuvent faciliter le transport de l'eau dans la haute atmosphère de Mars. (Image: NASA)
À maintes reprises, les tourbillons de poussière martiens s'étendent sur toute la planète, comme ici en juin 2018. L'image a été prise du rover Curiosity de la NASA(un robot dont la mission est l’exploration de Mars). Des tempêtes de ce type peuvent faciliter le transport de l'eau dans la haute atmosphère de Mars. (Image: NASA)
 

Les dernières tempêtes de ce type ont eu lieu en 2007 et 2018  et ont été largement documentées par des sondes spatiales en orbite autour de Mars. Alexandre Medvedev de MPS a déclaré:

«Les quantités de poussière qui tourbillonnent dans l'atmosphère pendant une telle tempête facilitent le transport de la vapeur d'eau dans les hautes couches d'air.»

Les chercheurs ont calculé que pendant la tempête de poussière de 2007, deux fois plus de vapeur d'eau a atteint la haute atmosphère que pendant un été sans tempête dans l'hémisphère sud. Comme les particules de poussière absorbent la lumière du soleil et se réchauffent ainsi, les températures dans toute l'atmosphère augmentent jusqu'à 30 degrés. Dmitry Shaposhnikov de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, premier auteur de la nouvelle étude, a expliqué:

«Notre modèle montre avec une précision sans précédent comment la poussière dans l'atmosphère affecte les processus microphysiques impliqués dans la transformation de la glace en vapeur d'eau.»

Hartogh conclut:

«Apparemment, l'atmosphère martienne est plus perméable à la vapeur d'eau que celle de la Terre.

«Le nouveau cycle saisonnier de l'eau qui a été découvert contribue massivement à la perte continue d'eau sur Mars.»