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Mars, un monde froid et sec

Lac de glace d'eau découvert en 2005 par la sonde Mars Express dans la région de Vastitas Borealis située près du pôle Nord de Mars (70.5° N, 103°E). Le cratère mesure 35 km de diamètre et la glace s'étend sur 2 km d'épaisseur. Les hauteurs ont été exagérées 3 fois pour mettre en évidence la glace sur les remparts. Document ESA/DLR.

Gelée blanche, glace et permafrost (I)

Parmi les dizaines de missions spatiales parties explorer la planète Rouge, Mars Global Surveyor (MGS) est sans conteste la plus importante de toutes par sa longévité et la quantité de données qu'elle continue de récolter. Après avoir parcouru environ 750 millions de kilomètres en l'espace de 300 jours à une vitesse moyenne de 28.9 km/s, MGS atteignit l'orbite de Mars le 11 septembre 1997. Depuis cette date la sonde Orbiter n'a jamais cessé de transmettre des données aux scientifiques grâce au réseau du DSN.

Au cours de sa mission cartographique, bouclant une orbite autour de Mars toutes les 118 minutes à 378 km d'altitude, l'Orbiter révéla d'importants changements saisonniers tant à l'échelle globale que locale.

Pendant que les robots de surface Sojourner, Spirit et Opportunity cherchaient de l'eau, MGS permettait aux planétologues de découvrir de quelle manière Mars changeait de visage à mesure que le sable transformait son paysage en été et se couvrait de givre en hiver. Le phénomène subissant de loin le plus de changements est l'apparition du givre.

En hiver ou au petit matin, lorsque la température est la plus basse et frise avec les -125°C, tous les endroits abrités du vent, le fond des canyons et les parois supérieures des cratères se couvrent de givre. Cette gelée blanche présente une chimie complexe faite de glace de dioxyde de carbone (glace carbonique) et de traces d'eau glacée.

C'est en fait essentiellement de la "neige sèche" comme celle que l'on retrouve dans nos extincteurs. Par les températures glaciales régnant sur Mars, le gaz carbonique présent dans l'atmosphère devient solide, précipite sur le sol et se sublime partiellement en raison de la faible pression de l'air (6 mb). Ce processus dépend de la température et évolue en fonction des saisons.

Un phénomène frappant se manifeste lors de la "débacle" du printemps dans la région de Sisyphi Cavi présentée ci-dessous. C'est une plaine partiellement effondrée d'une bonne centaine de kilomètres de largeur découverte par la sonde Viking Orbiter et qui se situe sur les contreforts du pôle Sud par 0° de longitude et 71°S. En hiver, certaines pentes sont recouvertes de glace carbonique sur plus d'un kilomètre de largeur.

A gauche localisation du site de Sisyphi Cavi par 0° de longitude et environ 71°S. L'image couvre un champ de 100 km de côté. Les deux images à sa droite montrent les pentes de Sisyphi Cavi à la fin de l'hiver et au début du printemps alors que les températures avoisinent -125°C. Les pentes sont couvertes de glace carbonique mêlée d'un peu d'eau glacée. Cette eau ne représente que 0.1% du volume et s'étend sur moins d'un millimètre d'épaisseur. La bande givrée s'étend sur une largeur de plus d'un kilomètre. Sur la quatrième image on découvre les gullies qui apparaissent au printemps sur Sisyphi Cavi. L'image représente une pente mesurant 3 km de hauteur. Les sillons sombres sont les derniers formés (coulées de l'année). Documents NASA/JPL/MSSS.

Au début du printemps, en même temps que la calotte polaire se sublime sous la chaleur du Soleil et commence à rétrécir, on aperçoit les premières échancrures sombres dans les pentes.

En plein milieu de l'été tout le givre a disparu, révélant d'immenses coulées (gullies) sombres tandis que le sable plus ancien, exposé aux rayons UV du Soleil depuis 10 ou 20 ans prend une teinte claire.

Ces traces de givre hivernal alternant avec des zones sombres sont familières des géologues et des personnes qui passent leurs vacances de Pâques à la montagne.

En effet, ce que nous observons sur Mars sous forme de pyramides alternativement claires et sombres ressemble très fort à ce qu'on découvre par exemple sur les pentes des Alpes ou sur les reliefs Antarctique au printemps. Sous la chaleur du Soleil, les reliefs sont cisellés ci et là d'immenses traînées sombres et blanches comme le montre très bien la photographie présentée à droite prise par John Webb de l'université australienne La Trobe. L'eau s'écoule au milieu des zones sombres.

Le gel saisonnier peut également accentuer les motifs polygonaux que l'on observe près du pôle Sud. A certaines occasions ces motifs ressemblent au plan d'une ville ou aux artères éclairées d'une ville vue de nuit d'altitude. Les deux images présentées ci-dessous au centre et à droite montrent deux régions australes vers 80°S. 

Sur Terre de tels motifs polygonaux suggèrent la présence de glace sous la surface. On ignore si la même chose se produit sur Mars. Ce qui est par contre certain c'est que le givre saisonnier accentue l'apparence des polygones du fait que la glace subsiste plus longtemps dans les fissures que dans les plaines adjacentes. 

Les scientifiques pensent, sans que cela ne soit encore prouvé, que ces structures polygonales se forment au cours d'un processus de congélation-dégel de l'eau sur une épaisseur de quelques mètres sous la surface de Mars.

Gros-plans sur des fractures polygonales du sol martien gelé ressemblant au plan d'une ville photographiées durant l'hiver et le printemps martien 2004 (images MOC2-607 du 16 janvier 2004, 78.9°S 357.3°O et MOC2-742 du 30 mai 2004, 80.7°S 70.6°O). Dans les deux images martiennes l'image s'étend sur 3 km de largeur et la lumière vient du coin supérieur gauche. Documents NASA/JPL/MSSS.

Depuis des siècles les astronomes savent que Mars possède des calottes polaires mais jusqu'au milieu du XXe siècle les tentatives d'analyse chimique suggérèrent que la calotte du pôle Nord était composée d'eau glacée, tandis que celle du pôle Sud semblait constituer de glace carbonique.

Les dernières missions spatiales ont nuancé ces relevés, suggérant que la calotte polaire Sud, persistant toute l'année, pouvait être constituée d'un mélange de glace carbonique et d'eau glacée.

La surface de Mars est constituée d'un permafrost, de l'eau glacée mélangée à la terre martienne qui, en se solidifiant aux basses températures martiennes devient aussi dur que la pierre. C'est l'une des raisons pour laquelle l'eau glacée n'avait pas été détectée jusqu'à présent par les nombreuses missions antérieures, car la "terre" avec laquelle elle est mélangée ne réfléchit pas beaucoup la lumière et apparaît donc sombre, contrairement aux régions couvertes de glaces qui peuvent réfléchir jusqu'à 85 % de la lumière incidente. 

Rétrécissement graduel de la calotte du pôle Nord de Mars par fonte et sublimation entre l'hiver (gauche), le milieu du printemps (centre) et l'été (droite).

Selon les données récemment acquises par la mission Mars Express, les géologues ont divisé la région du pôle Sud en trois parties :

- La première est constituée par la calotte polaire elle-même, faite à 85 % de glace carbonique et de 15 % d'eau glacée

- La deuxième partie comprend les escarpements et les pentes raides couverts presque entièrement d'eau glacée qui glisse des pôles vers les plaines avoisinantes

- La troisième partie, plus inattendue, comprend les vastes champs de permafrost qui s'étendent jusqu'à des dizaines de kilomètres des escarpements.

Pour les scientifiques la saison martienne hivernale est la plus intéressante car dans les régions polaires des deux hémisphères le gaz carbonique présent dans l'atmosphère précipite et recouvre les pôles, décuplant leur dimension et emprisonnant l'eau glacée.

Par leur altitude et leurs formes distinctes assez facilement identifiables, les champs de dunes sont également très intéressants à observer car les jeux de lumière font ressortir les zones brillantes couvertes de givre comme en témoignent les trois photographies présentées ci-dessous.

A gauche des champs de dunes couverts de givre (zone blanche dans les parties supérieures) photographiés au début de l'été martien (image MOC2-713 du 1 mai 2004, 80.3°N 148.7°O). Le vent dominant soufle du secteur sud-ouest (coin inférieur gauche). Au centre un champs de dunes dont le sommet est couvert de givre (zone claires) photographié à la même époque (image MOC2-721 du 9 mai 2004, 78.1°N 220.8°O). A droite un cratère d'impact entouré de champs de dunes sombres (image MOC2-531 du 1 novembre 2003, 66°1S 322.6°O). Elles ont été couvertes de givre voici plusieurs mois puis il s'est sublimé et sont à présent exposées aux UV solaires. Dans les trois exemples les photographies couvrent une zone de 3 km de largeur et la lumière vient du côté inférieur gauche. Document MGS/MSSS.

Deuxième partie

Evolution de Mars

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