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Mars, le dieu de la guerre

Introduction (I)

La dernière planète à l'image de la Terre, dite tellurique, présente dans le ciel un scintillement couleur rouge-sang. Son "errance" devant les étoiles fixes lui valut d'être dédiée par les Grecs au dieu de la Guerre. Plus tard elle fut surnommée la "planète Rouge" et sera même peuplée de Martiens. Nous y reviendrons...

L'avènement de l'exploration spatiale et le survol de la planète Rouge par une bonne quarantaine de sondes spatiales[1] depuis 1964 ont permis de dresser le véritable portrait de Mars. La seule mission Viking 1 en 1976 rapporta plus de 51000 images. Complétées par les analyses de surface faites jusqu'en 1982 et reprise en 1998 par Sojourner et plus d'une dizaines d'autres robots, cette monumentale collection de données est exploitée dans le cadre du programme Mars Data Analysis de la NASA. Ces informations occuperont les scientifiques durant des années[2].

Mars photographiée par le Télescope Spatial Hubble le 25 février 1995 à 103 millions de kilomètre de distance. L'image est centrée sur Mare Erythraeum et Valles Marineris (cf. les planisphères). Le Méridien Central se situe à 29°. Les halos blancs-bleuâtres à gauche sont des nuages d'eau glacée. Noter Ascraeus Mons, le point brun à gauche près du limbe. Document NASA/ESA/STScI.

L'idée de découvrir des Martiens fait aujourd'hui partie du folklore et est devenu un mythe. Mais l'idée qu'il puisse exister une vie sur Mars s'est propagée jusqu'à nos jours, entretenue par les propriétés quasi terrestres qui règnent à sa surface de la planète Rouge et la découverte dans le milieu interstellaire de molécules organiques prébiotiques. Nous nous attarderons longuement sur ce thème dans le dossier consacré à la bioastronomie.

Observer Mars durant les oppositions périhéliques

Située sur une orbite très excentrique, en moyenne à 228 millions de kilomètres du Soleil, Mars peut se rapprocher de la Terre jusqu'à 56 millions de kilomètres lors des oppositions périhéliques qui se reproduisent tous les 764 jours et toujours en automne. Sa taille apparente extrême oscille entre 3.5" lors des conjonctions et 25.1" lors des oppositions.

Au plus près de la Terre, Mars devient presque aussi brillant que Jupiter avec une magnitude de -2 et devient 4 à 8 fois plus grand que lors des conjonctions. Son globe est alors presque aussi grand que celui de Saturne (14-20") mais reste deux fois plus petit que celui de Jupiter (30-47"). Dans ces conditions il devient accessible aux petits instruments et se reconnaît parmi mille en raison de sa couleur orange.

Logiciel à télécharger : Mars Previewer II (Sky & Telescope)

Images amateurs

A gauche, le mouvement rétrograde de Mars entre octobre 2011 et juillet 2012 dont voici l'image annotée réalisée par Cenk et Tunk Tezel. Au centre, une photographie de Mars (Æ 18.37") prise par John Earl le 22 mai 2016 avec un Celestron C11 porté à f/35 muni d'une caméra CCD couleur Image Source DBK21 618. Il s'agit de l'empilement des 400 meilleures images d'une série de 7000. On reconnaît de nombreuses formations. A comparer avec l'image prise par le Télescope Spatial Hubble. A droite, une image RGB prise par Damian Peach le 9 juin 2016 (Æ 18.34") avec un télescope Celestron C14HD de 355 mm. A comparer avec l'image prise par Hubble présentée en haut de page.

Données physiques

Pratiquement comme la Terre, Mars est inclinée de 25°19' sur son orbite, lui-même incliné de 1°8 sur l'écliptique. Couplé à une excentricité orbitale qui atteint 0.093, ces deux phénomènes créent une importante différence d'ensoleillement entre les deux hémisphères, engendrant des saisons semblables à celles que nous connaissons, mais deux fois plus longues. La durée du jour est de 24h 37m 23s et l’année dure ici 687 jours. Nous reviendrons plus loin (cf. page 3) sur le climat martien.

Bien que Mars ait été formée en même temps que la Terre, ses reliefs ont pourtant quelque chose de démesuré. Son diamètre est de 6787 km avec une masse équivalent à seulement 10% de celle de notre planète et présente un aplatissement aux pôles de 1.05% (contre 0.33% pour la Terre). La forme de Mars est donc celle d'un géoïde très proche d'un ellipsoïde de révolution.

La planètre Rouge étant bien plus légère que la Terre, sa densité moyenne n'atteint que 3.93 (contre 5.32 pour la Terre) et la pesanteur ne vaut que le tiers de celle de la Terre. Plus lourde que la Lune mais plus légère que la Terre, Mars doit correspondre à un modèle géologique intermédiaire. Complétées par l'étude des reliefs et notamment des volcans et des fractures, on peut en déduire que la structure interne de Mars est probablement à mi-chemin entre celle de la Lune et de la Terre.

Structure interne

Comme on le voit ci-dessous à gauche, la structure interne de Mars se divise en trois parties. Au centre se trouve un noyau dense métallique d'environ 1794 ±65 km de rayon. Il est principalement composé de fer et de nickel peut-être mélangé à 16-17% de soufre et d'un peu d'oxygène. Ce noyau de sulfure de fer (Fe2S3) ne serait que partiellement fluide du fait que Mars présente un très faible champ magnétique (voir plus bas) et contiendrait deux fois plus d'éléments légers que celui de la Terre.

A gauche, structure interne de Mars (dont voici un agrandissement sans légende) comparée à celle de la Terre. Selon les planétologues, le noyau métallique de Mars serait encore liquide ou du moins partiellement. Notons que toute la planète tiendrait dans le volume occupé par le noyau de la Terre. A droite, un modèle de Mars concurrent propose une structure interne fluide avec un manteau peut-être stratifié et même convectif pouvant expliquer le mécanisme le développement du champ magnétique martien et le coeur dynamo actif il y a environ 4.5 milliards d'années. Documents NASA/JPL et David J. Stevenson/Nature (2001) adapté par l'auteur.

Ce noyau est entouré d'un manteau silicaté (à base de silice) à l'origine des nombreuses formations tectoniques et volcaniques présentes sur la planète mais dont l'activité est aujourd'hui en sommeil voire éteinte (voir plus bas). A côté du silicium et de l'oxygène, les éléments les plus abondants du manteau martien sont le fer, le magnésium, l'aluminium, le calcium et le potassium. Ce manteau s'étend jusqu'à l'écorce. Selon un autre modèle proposé par le planétologue David J. Stevenson de Caltech, le noyau serait entouré d'une enveloppe liquide de sulfure de fer peut-être mélangée à du silicium épaisse de 1300 à 1500 km. Elle serait entourée d'une fine zone de transition de perovskite et peut-être d'autres matériaux (équivalente à la discontinuité terrestre épaisse de 660 km) au-dessus de laquelle s'étend le manteau de silicates peut-être stratifié jusqu'à la croûte.

La croûte présente une épaisseur moyenne de 50 km mais varie entre 30 km près du pôle Nord à 100 km près du pôle Sud et peut localement atteindre 200 km d'épaisseur (contre 5 à 80 km d'épaisseur sur Terre). Elle est recouverte de roches et de sable ainsi que de glace aux pôles. La mission spatiale InSight de la NASA prévue pour 2018 utilisera un sismomètre afin de mieux caractériser les modèles internes actuels de Mars.

Niveau de référence et méridien

Étant donné qu'il n'y a pas de surface liquide sur Mars, le niveau de référence (l'altitude 0) a été défini arbitrairement. Selon le JPL, il correspond au niveau de pression atmosphérique moyenne de 6.10 mbar (610 Pa). Ce qui signifie que la majorité des reliefs martiens situés dans l'hémisphère Nord se situent en dessous de l'altitude 0 (à l'exception des grands volcans) tandis que les montagnes de l'hémisphère Sud culminent entre 1 et 3 km d'altitude.

En cas de terraforming de Mars, les océans recouvriraient plus de la moitié de la planète (cf. cette illustration). Dans l'hémisphère Nord, le volcan Olympus Mons (voir plus bas) serait une île de 21 km d'altitude dont les eaux plongeraient à 4000 m de profondeur tandis que dans l'hémisphère Sud, seul le grand bassin de Hellas Planitia serait inondé car son plancher se trouve 9 km sous le niveau moyen. On reviendra sur les reliefs martiens.

Quant au Méridien 0 martien qui définit les longitudes (comme le Méridien de Greenwich sur Terre), il fut défini au XIXe siècle et correspond à la formation de Sinus Meridiani renommé Meridiani Planum depuis l'exploration de Mars. Il passe par le centre du petit cratère Airy-0 (cf. les planisphères de Mars).

Activité tectonique

L'activité tectonique a selon toute vraisemblance été très importante dans un très lointain passé ainsi que l'érosion par l'eau et la sédimentation. En témoignent les nombreuses régions volcaniques, tel le plateau de Tharsis Montes déjà cité qui est aussi vaste que l'Australie et qui a joué un rôle significatif dans l’évolution de la planète ainsi que l'a expliqué Michael H. Carr de l'USGS dans la revue "Nature" en 1988, de même que la région de caldera d'Alba.

Il faut bien sûr citer l'immense canyon de Valles Marineris présenté ci-dessous. Il s'agit d'une facture d'origine volcanique qui s'étend sur près de 4500 km et présente localement une largeur de 240 km et une profondeur de 6 km (à Melas Lacus) ! Elle est tellement imposante qu'elle est visible depuis l'espace. Avec ses 450 km de longueur, sa largeur variant entre 5.5 et 30 km et sa profondeur maximale de 1300 mètres, le Grand Canyon du Colorado ressemble à une fissure à cette échelle !

Il existe également un grand nombre de vallées sinueuses, dont l'une serpente sur 400 km dans Mare Erythraeum, atteignant localement 5 km de large.

A voir : Survol de Valles Marineris par Viking 2 (1.4 MB), JPL

Survol de Tharsis et Valles Marineris (12.5 MB)

Valles Marineris

A gauche, une mosaïque de 102 photos centrées sur le canyon de Valles Marineris prises le 22 février 1980 par la sonde spatiale Viking 1 de la NASA. A droite, une vue 3D réalisée à partir des photos et des données altimétriques MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) prises par la sonde spatiale Mars Express de l'ESA à partir de 2004. Voici la version HD (10 MB).

Ci-dessus, une vue oblique de Candor Chasma. L'image couvre 800 km par 6.5°S et 71°O. La partie droite formée de 3 échancrures est Ophir Chasma qui subit un effondrement dont le volume déplacé fut 1000 fois supérieur à l'avalanche du Mont St-Helens qui se produisit en 1980 ! Les analyses par le spectromètre OMEGA de la sonde Mars Express de l'ESA (cf. page de THEMIS) indiquent que les sédiments de Candor Chasma contiennent des sulfates hydratés, peut-être de l'epsomite, un ingrédient clé qu'on retrouve dans les sels de bain, ainsi qu'une forme de sulfate de magnésium appelée kiesérite. Documents ESA/DLR/FU Berlin et NASA/USGS.

Volcanisme

Mars étant une petite planète, son écorce est tellement épaisse (30 à 200 km) que l'activité tectonique n'est pas parvenue à la plisser. Celle-ci a donc été craquelée, fissurée en de nombreux endroits.

Mars connut une évolution géologique très perturbée il y a quelques centaines de millions d'années sinon davantage. Parmi les formations emblématiques, il y a d'abord la fracture de Valles Marineris précitée qui plonge localement à 6 km de profondeur et qui s'étend sur 4500 km, soit un cinquième de la circonférence de Mars ! 

Ensuite, il y a le volcan Olympus Mons qui culmine à 26 km d'altitude, soit 3 fois la hauteur de l'Himalaya et dont la base s'étend sur 624 km, soit presque autant que la France et deux fois plus vaste que la Belgique ! A partir de sa base, Olympus Mons est 6 fois plus étendu et 5 fois plus haut que le volcan Mauna Kea d'Hawaii.

Le volcan s'élève à 21.2 km au-dessus du niveau de référence. Au sommet se trouve une caldera, c'est-à-dire une chambre magmatique effondrée qui se serait formée il y a 150 millions à 350 millions d'années. Elle est large de 80 km et entourée de remparts hauts de 6 km ! Les géologues estiment que la chambre magmatique se trouve à 32 km sous la base de la caldera.

Les falaises qui entourent Olympus Mons s'élèvent à 7 km d'altitude. Heureusement si les astronautes veulent un jour l'escalader, il existe du côté nord (sur la droite de la photo 3D présentée ci-dessous à droite) une paroi à 5° formée d'une coulée de lave qui conduit jusqu'au sommet. 

Sur Terre, les seules formations aussi monumentales sont les supervolcans. C'est dire combien les éruptions d'Olympus Mons devaient être mégacolossales.

Olympus Mons, maître des lieux

A gauche, le volcan Olympus Mons (18.4° N, 226° E) photographié à la verticale par l'orbiter de Viking 1 le 22 juin 1978. La caldéra culmine à 26 km d'altitude tandis que la base s'étend sur 624 km. A droite, une reconstruction 3D oblique basée sur les données altimétriques MOLA. Documents NASA/JPL/Viking/NSSDC. Cliquer ici pour lancer une animation (Mpeg de 758 KB de Calvin J.Hamilton). Ci-dessous à gauche, un dessin réalisé par Mark Garlick comparant Olympus Mons au Mauna Kea d'Hawaii et au Mont Everest. A droite, carte topographique de Mars centrée sur les principaux volcans. Cliquer ici pour lancer une animation (Mpeg de 484 KB) de Grant L.Hutchison, NASA. Document NASA/Calvin J.Hamilton pour l'animation.

Douze volcans s'élèvent au-dessus du plateau de Tharsis, un altiplano qui s'étend sur 8000 km à une altitude de 10000 m. Les trois principaux hormis Olympus Mons sont baptisés Ascraeus Mons, Pavonis Mons et Arsia Mons et culminent à 20 km d'altitude. Tout sur cette planète est démesuré !

Les sondes spatiales n'ont pas décelé la moindre activité volcanique sur Mars. Toutes les laves bordant les volcans, les dômes et fractures analysés par infrarouge sont froides. Aucun volcan ne présente d'activité, pas la moindre fumerolle ou lac de lave en cours de refroidissement. Les cicatrices nettes laissées par les cratères d'impacts et la quasi absence de cratères météoritiques sur les pentes des volcans font penser que toutes les formations martiennes sont relativement jeunes, âgées de quelques centaines de millions d'années tout au plus.

Il est toutefois fort possible que le sous-sol, aujourd'hui recouvert de sable sur plusieurs mètres d'épaisseur, cache de profondes vallées et d'étonnants reliefs sculptés par l'eau qui devait très probablement couler jadis. Seule une étude radar réaliser depuis l'Orbiter pourrait révéler ces formations ainsi que nous l'avons réalisé de manière analogue pour explorer le fond du Sahara sur Terre.

A consulter : Les planisphères de Mars (sur ce site)

Geologic Map of Mars, USGS

Mars Trek, JPL

Extraits des cartes topographiques MOLA (gauche, dont voici le planisphère), géologique (centre) et topographie colorisée (droite) de Mars. Consultez les liens ci-dessus pour d'autres cartes martiennes en haute résolution. Documents NASA/GSFC/MOLA Science Team, NASA/USGS et Mars Trek/JPL.

Structure magnétique

Aujourd'hui, la structure magnétique de Mars est très faible et localisée à l'inverse de celle du Soleil et des planètes dont le champ magnétique est global générant un effet dynamo. Le champ magnétique de Mars ne semble pas émaner de son noyau et varie tant en direction qu'en force à travers toute la surface. Ainsi, il y a des endroits où le champ magnétique est 10 fois plus fort que celui de la Terre. On a relevé localement un champ magnétique deux fois plus fort que sur Vénus, mais en moyenne il reste malgré tout 1000 fois plus faible que celui de la Terre.

D'autres anomalies ont également été découvertes sous forme de "trous" dans le champ magnétique qui apparaissent juste à l'endroit où des astéroïdes ont perforé la surface. Enfin, à d'autres endroits les perturbations du champ magnétique sont alignées comme le seraient une succession de points.

Ces anomalies magnétiques semblent se manifester aux endroits où se trouve des concentrations de métal solide dans l'écorce. Le fait que le métal ait été magnétisé suggère qu'il y a environ 4.5 milliards d'années Mars disposait probablement d'un champ magnétique entretenu par un noyau "dynamo" fonctionnant de façon analogue à celui de la Terre. Beaucoup plus puissant qu'aujourd'hui, ce champ magnétique global n'a probablement fonctionné que quelques centaines de millions d'années. Mars l'a probablement perdu suite au refroidissement de son noyau et à l'effet d'érosion induit par le vent solaire sur son atmosphère. On y reviendra.

A l'inverse du champ magnétique du Soleil et de la plupart des planètes, celui de Mars est localisé et pratiquement éteint. Documents NASA/Mario Acuna et al.

Ce champ magnétique résiduel est très contraignant car sur Terre la magnétosphère nous protège des rayons cosmiques et des rayonnements corpusculaires du Soleil, en particulier contre les rayons X, les protons et les électrons rapides. La plupart d'entre eux sont stoppés au niveau de notre ionosphère y formant occasionnellement des aurores. Mais tout cela n'existe pas sur Mars et les prochains visiteurs de la planète Rouge devront être très prudents lors des missions d'exploration s'ils ne veulent pas mourir irradiés ou présenter à long terme des malades dégénératives ou d'origine neurologique ! On en reparlera à propos du mal de l'espace et de la colonisation de Mars.

Des aurores à protons

Bien que dépourvu de champ magnétique global, il existe des "aurores à protons" sur Mars. En effet, grâce aux données enregistrées par le spectromètre UV SPICAM de la sonde spatiale Mars Express de l'ESA entre 2004 et 2011, des chercheurs de l'Université de Liège en collaboration avec l'Observatoire Royal de Belgique ont découvert pour la première fois l'existence de ce type d'aurore ailleurs que sur la Terre.

Rappelons que généralement les aurores discrètes (arcs, bandes, rayons, etc) et diffuses (halos) sont déclenchées par l'excitation et l'accélération des électrons présents dans la haute atmosphère sous l'emprise d'un champ magnétique. On peut également observer des aurores diffuses déclenchées par l'excitation des protons qui se manifestent par une trace lumineuse à la fois dans la partie UV du spectre et dans la partie visible. Toutefois, les observations faites par les chercheurs ne concernent que les émissions UV.

A gauche, cartographie des aurores à protons superposées sur l’intensité du champ magnétique projetée sur un planisphère de Mars. Les points blancs indiquent les détections des aurores à protons, tandis que les points noirs correspondent aux aurores discrètes enregistrées précédemment. A droite, l'altitude d'émission d’une aurore à proton détectée par l’instrument SPICAM de Mars Express. La courbe noire représente un profil d'émission Lyman alpha dans l'atmosphère martienne sans aurore et celle en bleu montre la signature aurorale entre 120 et 150 km d'altitude. La courbe magenta correspond à la différence. Documents B.Ritter et al. (2017).

Selon une étude publiée en décembre 2017 par l'astrophysicienne Birgit Ritter de l’Université de Liège et ses collègues dans la revue "Geophysical Research Letters", l'hémisphère Sud de Mars présente des régions ayant conservé l'empreinte de son ancien champ magnétique qui sont suffisamment actives pour permettre l’apparition de ce type de phénomène. Le pic d'émission de ces aurores à protons se produit à une altitude comprise entre 120 et 150 km et produit une intensification de la raie Lyman α (121.5 nm) de l'ordre de quelques kilorayleighs.

Notons que la sonde spatiale ExoMars GTO (Trace Gas Orbiter) de l'ESA en orbite autour de Mars depuis 2016 dispose d'un spectromètre NOMAD qui permet en théorie de détecter les émissions visibles des aurores à protons. Cet instrument étudie également le spectre du Soleil entre l'UV et l'IR. Ce satellite devrait être opérationnel jusqu'en 2022.

Prochain chapitre

Les satellites Phobos et Deimos

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[1] Soviétiques, Américains et Européens ont à l'heure actuelle (2018) lancé 45 sondes spatiales vers Mars, tant des sondes orbitales que des Landers et des Rovers mais 16 sondes seulement ont atteint leur objectif et 2 autres partiellement (échec du Lander). L'exploration de Mars repris en 2001 en vue de préparer, à long terme, la colonisation de la planète. 5 autres sondes spatiales devraient rejoindre la planète Rouge d'ici 2024. Le détail de toute les missions est disponible sur le site du JPL et de l'ESA.

[2] A propos de Mars, lire National Geographic, 143, 2, Feb.1973, p231 (Mariner 9 et présentation du Viking I); 151, 1, Jan.1977, p3 (les Viking sur Mars et la recherche de la vie); 194, 2, Aug 1998, Return to Mars; Feb 2001, A Mars Never Dreamed Of; Jan 2004, Mars; Feb 2010, Hubble Renewed Mars (Terraforming); Cf.cette liste.


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