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Traces d'eau à la surface de Mars
Les coulées sombres et les perchlorates (III) En septembre 2015, la NASA annonça que le spectromètre de la sonde orbitale MRO avait détecté des "ruisseaux" de saumures saisonniers composés de perchlorates sur les pentes du cratère Hale et d'une douzaine d'autres formations. Si l'hypothèse avait déjà été proposée en 2008 par les scientifiques, c'est la première fois que les instruments en apportaient "la preuve" in situ. Cette variété de sels est intéressante car elle est associée à l'eau. Ces perchlorates ont été détectés dans des RSL (recuring slope lineae ou lignes de pente récurrentes) comme on le voit à droite (en brun). Ces coulées qui ressemblent à des saumures mesurent entre 50 cm et 5 m de large et peuvent s'étendre sur plus de 100 mètres. Mais nous verrons plus bas que ces RSL et autres stries de pente (slope streaks) sombres ne résultent probablement pas d'écoulement de liquide (voir plus bas). Les premières traces de RSL furent découvertes en 2010 par Lujendra Ojha du Georgia Tech et son équipe grâce à la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) de MRO et confirmées en 2012 grâce au Spectromètre Imageur Compact de Reconnaissance (CRISM) embarqué à bord de MRO. Mais il fallut ensuite plusieurs années d'investigations et d'analyses pour préciser les conditions physico-chimiques de leur apparition et s'il s'agit ou non de traces d'eau ou d'écoulements secs. Grâce aux orbiters mais également aux rovers, du perchlorate de calcium (Ca(ClO4)2) a été découvert en une douzaine d'endroits allant des pentes des dunes au fond des cratères martiens. Puis, en septembre 2015, Lujendra Ojha et son équipe annoncèrent dans la revue "Nature" que la sonde MRO avait détecté d'autres formes de perchlorates associés au sodium et au magnésium comme le NaClO4, Mg(ClO4)2 et Mg(ClO3)2.
Après contre-analyse, il s'avère que la détection de perchlorates sur Mars en 2015 était une erreur. En effet, selon une étude publiée par Ellen K. Leask de Caltech et ses collègues dans les "Geophysical Research Letters" en novembre 2018, les données relevées par le spectromètre CRISM de l'orbiter MRO correspondent à des erreurs de mesure, ce qu'on appelle un "glitch" dans les données spectrométriques; l'instrument a mal pris les mesures dans des zones à haut contraste et a pris des parasites pour des données réelles. Autrement dit, l'instrument CRISM fonctionne mal... En revanche, les découvertes de perchlorates par le lander Phoenix en 2009 et par le rover Curiosity en 2013 évoquées précédemment sont bien réelles. On reviendra sur le sujet dans l'article consacré à la toxicité de l'environnement martien car des chercheurs ont découvert que les perchlorates étaient bactéricides et combinés aux UV, ils rendent la surface de Mars très peu propice à toute forme de vie. Si sur Terre il n'existe pas l'équivalent des RSL martiens, on trouve des anions perchlorates (ClO4)- généralement dans les endroits désertiques (vallée de la Mort, désert d'Atacama, etc), parfois associés à des nitrates et souvent à des métaux (potassium, magnésium, sodium, etc). Leur découverte sur Mars renforce un peu plus la filiation de la planète Rouge avec la Terre mais ne constitue pas un indice en faveur ou en défaveur de la vie. En effet, les conditions près de la surface martienne ne sont aujourd'hui guère favorables à la vie microbienne telle que nous la connaissons. Le principal problème vient du rayonnement UV que la fine atmosphère de Mars ne filtre pas suffisamment et qui tue rapidement les éventuels microbes qui oseraient s'aventurer en surface. Ceci dit, nous verrons que certains microbes comme la fameuse E.coli et plusieurs espèces de bacilles peuvent survivre sur Mars. Notons que les perchlorates ont de nombreux usages dans l'industrie, des oxydants (propergols) pour l'armement ou les fusées aux feux d'artifices. Mais ce sont également des contaminants et des polluants persistants. Ils ne sont pas présents dans l'eau potable et ne sont donc pas tracés, sauf en cas de pollution. Nature des RSL et des traces sombres En 2019, Abotalib Z. Abotalib et Essam Heggy de l'Université de Sud Califonie à Los Angeles ont publié dans la revue "Nature Geoscience" les résultats de l'analyse des images des RSL prises par MRO en 2011 ainsi que des traces découvertes dans le canyon de Valles Marineris, complétés par des modélisations des flux thermiques sur Mars et d'analogues terrestres. La principale caractéristique des RSL est de réapparaître aux mêmes endroits, saison après saison, pendant des semaines (alors que les stries sombres ne se répètent pas et ne sont apparentes que quelques heures). Ces coulées salées sont des phénomènes saisonniers qui apparaissent pendant la saison chaude lorsque la température en surface varie entre -23°C et +27°C et disparaissent lorsque la température redescend en dessous de -40°C ou -70°C si le milieu est hypersalin.
Fort de leurs connaissances sur l'hydrologie du désert, les chercheurs soulignent que "le système s’arrête pendant l’hiver, lorsque l’eau ascendante proche de la surface gèle dans les fissures et reprend pendant l’été, lorsque la température de la saumure dépasse le point de congélation". Ils concluent que les gullies et autres RSL comme celles visibles ci-dessus ne sont probablement pas causées par des écoulements temporaires d'eau salée (saumures) à la surface de la planète Rouge. Dans le cas des RSL de Coprates Chasma, Il s'agirait "d'une source d'eau souterraine sous pression, remontant à la surface le long des fissures; il s'agirait d'un écoulement naturel le long de structures géologiques d'aquifères saumurés situés dans la cryosphère, à des profondeurs d'environ 750 m". Toutefois, tous les chercheurs ne sont pas de cet avis. Certains scientifiques considèrent que les RSL ne sont pas des écoulements d'eau saumâtre s'infiltrant lentement des flancs des montagnes, mais probablement des écoulements de sable sec ou de poussière. En effet, dans un article publié en 2021, des chercheurs ont montré à partir des images prises par MRO que de nombreuses RSL sont apparues après une tempête de poussière globale survenue sur Mars en 2018. La découverte suggère que la poussière qui se dépose sur les pentes déclenche des écoulements de sable, qui, à leur tour, exposent le sous-sol plus sombre qui donne aux lignes leur coloration distinctive. Mais la couleur sombre peut aussi être provoquée par de la poussière mélangée à des matériaux plus clairs.
Dans le cas des grandes RSL d'Acheron Fossae présentées ci-dessus à droite ou les coulées sombres que l'on voit à droite, ces traces sombres pourraient être produites par du sable ou de la poussière fine glissant le long des pentes des collines et des cratères. Les traces sombres dans le sable semblent avoir coulé ou sont apparues sur des centaines de mètres comme un liquide autour des rochers et, pour une raison inconnue, elles s'éclaircissent fortement avec le temps, peut-être sont-elles recouvertes progressivement de sable. Ce processus d'écoulement du sable est l'un des nombreux processus avec les tourbillons de sable, les tempêtes de sable, le gel et la fonte des glaces susceptibles de modifier les reliefs martiens. Il pourrait donc y avoir plusieurs mécanismes à l'origine de la formation des RSL. Dans un article publié dans le "Journal of Geophysical Research: Planets" en 2022, Sylvain Piqueux du JPL et ses collègues déclarent qu'ils ont peut être découvert la nature des RSL et des traces sombres. En examinant les données de MRO, Lucas Lange, un stagiaire du JPL travaillant avec Piqueux, remarqua la signature froide du givre dans de nombreux endroits où cette condensation était invisible en surface. Ces températures négatives apparaissaient à seulement quelques dizaines de microns sous la surface de Mars - c'est-à-dire à une "profondeur" inférieure à la largeur d'un cheveu humain. Selon Lange, "Notre première idée était que la glace pourrait être enterrée là. La glace sèche est abondante près des pôles de Mars, mais nous regardions plus près de l'équateur de la planète, où il fait généralement trop chaud pour que du givre de glace sèche se forme". Les auteurs proposent que ces traces sombres sont du givre sale, du givre de neige carbonique mélangée à de fins grains de poussière qui l'assombrissent en lumière visible mais pas dans les images infrarouges prises par la caméra HiRISE. Pour rappel, HiRISE photographie Mars dans trois canaux, bleu-vert entre 400-600 nm, rouge entre 550-850 nm et proche infrarouge entre 800-1000 nm qui sont ensuite combinées pour créer des images en couleurs représentatives (en fausses.couleurs dans la mesure où le canal infrarouge ne correspond pas au rayonnement visible). Selon les chercheurs, le givre sale pourrait également expliquer certaines des stries sombres qui peuvent s'étendre sur plus de 1000 mètres sur les pentes martiennes. Des études antérieures savaient déjà montré que ces traces résultaient essentiellement d'avalanches de poussière qui remodèlent lentement les flancs des montagnes à travers la planète. Les chercheurs pensent que ces avalanches ressemblent probablement à une rivière de poussière qui épouse le sol et laisse derrière elle une traînée de poussière. Pendant les quelques heures où la poussière se déplace vers le bas, elle forme des traînées de matériau plus sombre. Notons que ces stries sombres n'ont pas les mêmes caractéristiques que les RSL; les traces sombres ne persistent que quelques heures, elles ne se répètent pas de manière saisonnière et sont beaucoup plus étendues que les RSL. Comme les gullies, il n'y a pas de traces d'eau à ces endroits. En cartographiant les stries des pentes, Piqueux et ses collègues ont découvert qu'elles avaient tendance à apparaître dans les endroits où il y avait du gel le matin. Les chercheurs proposent que les stries résultent de la vaporisation du givre créant juste assez de pression pour détacher les grains de poussière et provoquer une avalanche. Cette découverte est intéressante car elle force les chercheurs à remettre en question leurs acquis et ce qu'ils savent de la météorologie, la rhéologie et l'hydrologie. Chaque mission sur Mars apporte son lot de nouveaux processus exotiques qu'on ne connaît pas sur Terre, comme les RSL et les stries de pente, qui poussent les planétologues à penser au-delà de leurs expériences sur Terre. De la glace d'eau sous la surface de Mars Suite à l'analyse des données recueillies par l'orbiter MRO de la NASA dont la mission autour de Mars dure depuis 2006, une équipe de chercheurs dirigée par le géologue Colin Dundas du Centre d'Astrogéologie de l'USGS annonça en 2018 dans la revue "Science" qu'ils avaient identifié huit zones fortement exposées à l’érosion, notamment des pentes raides dans lesquelles la caméra HiRISE de MRO mit en évidence des dépôts de matière brillante. Une vérification avec le spectromètre CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) de la NASA et le radar SHARAD (Shallow Radar) de l'ESA confirma qu'il s'agit de glace d'eau formant des couches stratifiées à 1 ou 2 mètres seulement sous la surface et pouvant s'étendre sur plus de 100 mètres d'épaisseur.
Rappelons que les orbiters MRO et Mars Express furent les premiers à découvrir de la glace de subsurface. Ensuite, en 2008 la mission Phoenix confirma et analysa la glace d'eau enfouie sous le sol martien par 68° de latitude nord. Ces nouvelles données viennent donc compléter ces analyses. Selon les chercheurs, les variations de couleurs de ces dépôts suggèrent que la glace d'eau est formée de couches distinctes qui pourraient aider à comprendre l'évolution des changements climatiques sur Mars. Ces strates dont on voit des photos ci-dessus, se sont probablement formées par l'accumulation de neige au cours des hivers martiens successifs. Le vent a ensuite recouvert ces plaques de glace de sable et de poussière. Le nombre peu élevé de cratères dans ces huit sites indique que cette glace s’est formée assez récemment. Des gros blocs de roche se sont également détachés des parois sous l'effet de l'érosion. Ce phénomène indique que la glace perd quelques millimètres chaque été. Etant donné que cette glace proche de la surface n'est visible qu'aux endroits où la couche de sable a disparu, selon Dundas, "ce type de glace est plus répandu que nous le pensions auparavant". D'anciennes couches de glace d'eau sous le pôle Nord Dans une étude publiée dans les "Geophysical Research Letters" en 2019, grâce au radar SHARAD (Shallow Rada) de la sonde orbitale MRO, l'équipe de Stefano Nerozzi de l'Institut de Géophysique de l'Université du Texas (UTIG) a découvert d'importantes couches de glace à plus d'un kilomètre de profondeur sous le pôle Nord de Mars dont voici une image restituée en relief. Cette découverte est importante car les couches de glace enregistrent le passé climatique de Mars (comme sur Terre où les glaces polaires enregistrent le passé climatique). Dans ce cas ci, il s'agit de couches alternées de sable et d'anciennes calottes glaciaires. Ces couches contiennent par endroit jusqu'à 90% d'eau. Selon Nerozzi, c'est probablement le troisième plus grand réservoir d'eau sur Mars après les calottes polaires. Si toute la glace polaire était fondue elle recouvrirait Mars d'une couche uniforme d'eau d'au moins 1.5 m de profondeur.
Les chercheurs pensent que les couches se sont formées lorsque la glace s'est accumulée aux pôles au cours des dernières périodes glaciaires martiennes. Chaque fois que la planète se réchauffait, une partie des calottes glaciaires se couvrait de sable, ce qui protégeait la glace du rayonnement solaire et l'empêchait de se dissiper dans l'atmosphère. Sur une période d'environ 50000 ans, Mars subit une précession comme la Terre, son axe s'incline vers le Soleil avant de revenir progressivement à une position verticale. Lorsque la planète est verticale, l'équateur étant perpendiculaire au Soleil, les pôles se refroidissent et les calottes polaires se développent. À mesure que la planète s'incline, les calottes polaires rétrécissent et disparaissent probablement complètement. Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient que les anciennes calottes glaciaires avaient disparu. La photo ci-dessous prise par l'orbiter MRO montre qu’il reste en réalité d’importantes traces de l'ancienne calotte glaciaire sous la surface de Mars, emprisonnée dans des couches alternant de la glace et du sable. L'étude de ces couches fournit de nouvelles informations importantes sur l'échange de glace d'eau entre les pôles et les latitude moyennes où les chercheurs avaient d'ailleurs confirmé précédemment la présence d'anciens glaciers. Selon John Holt de l'Université d'Arizona et coauteur de cette étude, "étonnamment, le volume total d'eau enfermé dans ces dépôts polaires enfouis est à peu près le même que toute la glace d'eau connue existant dans les glaciers et les couches de glace enfouies aux basses latitudes sur Mars, et ils ont approximativement le même âge."
L'étude de la géométrie et de la composition de ces couches pourrait aussi indiquer aux chercheurs si les conditions climatiques étaient auparavant favorables à la vie. Selon Nerozzi, l'étude de ces enregistrements permettrait de déterminer si Mars est toujours habitable : "Comprendre quelle quantité d'eau est disponible sur la planète par rapport à ce qui est piégé dans les pôles est important si vous voulez avoir de l'eau liquide sur Mars. Vous pouvez avoir toutes les conditions réunies pour la vie, mais si la plus grande partie de l’eau est gelée aux pôles, alors il devient difficile d'avoir une quantité suffisante d’eau liquide près de l’équateur." Si l'homme veut un jour débarquer sur Mars, il est vital qu'il dispose de suffisamment d'eau pour survivre quitte à la rendre potable au moyen de systèmes de filtration. En combinant l'eau avec du dioxyde de carbone, abondant dans l'atmosphère martienne, on peut produire de l'oxygène indispensable pour respirer dans les habitats et renouveller l'air les bouteilles d'air comprimé portatives ainsi que du méthane, un carburant pour les moteurs-fusées. Cette eau est facilement accessible en creusant la surface de Mars jusqu'à quelques mètres de profondeur et selon les analyses, les lieux où cette glace d'eau est la plus abondante se situent entre 55 et 58° de latitude nord et sud. Mais ces endroits deviennent très froids et inhospitaliers durant le long hiver martien pour des bases habitées tributaires de l'énergie solaire. C'est pour cette raison que la NASA souhaite limiter la recherche de sites d'installation pour les futurs astronautes à moins de 50° de l'équateur martien. Selon Scott Hubbard de l'Université de Stanford et ancien responsable du programme d'exploration de Mars, l'idéal serait de découvrir de grandes quantités de glace d'eau dans les régions tropicales martiennes. Affaire à suivre. Prochain chapitre Des lacs de saumures souterrains près du pôle Sud ?
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