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Traces d'eau à la surface de Mars

Ruisseaux de saumure (en brun) d'une centaine de mètres de longueur sur les pentes du cratère Hale. Les couleurs sont accentuées et les hauteurs exagérées 1.5 fois. Document NASA.

La mission MRO et les perchlorates (III)

En septembre 2015, la NASA annonça que le spectromètre de la sonde orbitale MRO avait détecté des ruisseaux de saumure 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 pentes récurrentes), ce qui ressemble à des ruisseaux de saumure comme on le voit à droite (en brun). Ces traînées mesurent entre 50 cm et 5 m de large et peuvent s'étendre sur plus de 100 m.

Les premières traces de RSL furent découvertes en 2010 par Lujendra Ojha du Georgia Tech et son équipe grâce à l'imageur HiRISE (igh Resolution Imaging Science Experiment) de la sonde orbitale MRO et confirmées en 2012 grâce au spectromètre de masse 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.

Ces ruisseaux salés 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.

Variation du taux d'humidité relative et de la température au sol dans le cratère Gale (gauche) et conditions de stabilité du perchlorate de calcium (droite). Document NASA/J.Martin-Torres et al. adapté par l'auteur.

Les perchlorates agissent comme un antigel en abaissant le niveau de congélation de l'eau (à l'image de l'eau salée qui peut rester liquide à plus basse température), raison pour laquelle les ruisseaux de saumure peuvent restent liquides jusque -70°C en raison de la faible pression atmosphérique (~6.3 mbar ou hPa contre 1013 hPa sur Terre au niveau de la mer). C'est cette hypersalinité qui explique l'existence des gullies alors que la température à la surface de Mars est franchement négative.

Selon Javier Martin-Torres de l'équipe de Curiosity, "ces sels de perchlorate présentent une propriété appelée déliquescence. Ils capturent la vapeur d'eau de l'atmosphère et l'absorbe pour produire de l'eau salée". Ce cycle est quotidien et est maintenu par l'eau salée.

Sur Terre on trouve généralement les anions perchlorates (ClO4)- 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 donc encore 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, Martin-Torres souligne que "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.

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.

Erratum

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. En fait, 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, la découverte de perchlorates par le lander Phoenix en 2009 et par le rover Curiosity en 2013 évoquées précédemment est bien réelle.

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.

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 (High Resolution Imaging Science Experiment) 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.

La sonde Mars Reconnaissance Orbiter a détecté des strates de glace (colorisées en bleu) à quelques mètres sous la surface de Mars. Document NASA/JPL/U.Az//USGS.

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".

Lignes de pentes récurrentes (RSL, les lignes noires) dans Coprates Chasma. Elle s'étendent en moyenne sur 50 m. Voici une vue générale. Document NASA/JPL/U.Az.

En complément, 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.

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 à gauche dans Coprates Chasma ne sont probablement pas causés par des écoulements temporaires d'eau salée (saumures) à la surface de la planète Rouge. Il s'agirait plutôt "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 seraient des glissements de terrains secs. Il pourrait donc y avoir plusieurs mécanismes à l'origine de la formation des RSL.

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.

Un éventuel lac d'eau liquide dans le sol de Planum Australe

La présence d'eau liquide à la base des calottes polaires martiennes a longtemps été suspectée mais non prouvée. Dans un article publié en 2018 dans la revue "Science", Roberto Orosei de l'Institut d'Astrophysique de Bologne et ses collègues ont présenté les résultats de l'analyse de la région de Planum Australe au moyen de l'instrument MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding), un radar à basse fréquence embarqué à bord de la sonde spatiale Mars Express de l'ESA. Les relevés radars furent effectués entre mai 2012 et décembre 2015 et indiquent l'existence de zones brillantes près du pôle Sud comme on le voit ci-dessous.

A gauche, localisation de la zone prospectée par le radar MARSIS de l'orbiter Mars Express de l'ESA entre mai 2012 et décembre 2015. Au centre, la puissance de l'écho reflété. A droite, les relevés radars indiquent que vers 1.5 km de profondeur près du pôle Sud de Mars il existerait (c'est au conditionnel) de l'eau liquide sous la couche stratifiée de glace et de sédiments. Documents ESA/NASA/PJL/ASI/Univ. Rome/R.Orosei et al. (2018).

L'analyse de ces signaux montre que cette caractéristique lumineuse présente une permittivité diélectrique relative (une réponse à un champ électrique comparée à celle du vide) relativement élevée (> 15), correspondant à celle des matériaux aquifères. Rappelons que la permittivité relative des matériaux à 0°C et pression normale varie entre εr = 1 pour le vide et 88 pour l'eau pure (voir le tableau ci-dessous ainsi que cet article) et à tendance à s'atténuer en présence de sels (cf. cette thèse). Bien entendu sur Mars, la pression dans le sol est plus élevée et l'eau est loin d'être pure mais elle peut être saée et donc la comparaison directe n'est pas possible.

Si nous comparons ces données à celles recueillies en Antarctique (l'environnement le plus proche de celui de Mars en terme de froid, sécheresse et force du vent) et au Groenland, une permittivité supérieure à 15 est indicatrice de la présence d'eau liquide sous les dépôts de surface. Les chercheurs en déduisent que les échos relevés sur Mars ne peuvent correspondre qu'à de l'eau liquide qui est piégée à 1.5 km sous la glace, en-dessous des dépôts stratifiés. Les réflexions souterraines - ou plutôt sous-martiennes - anormalement brillantes apparaissent dans une zone bien délimitée mesurant ~20 km de large centrée à 193°E et 81°S (en bleu ci-dessus) ; autrement dit il s'agit d'un lac souterrain (comme on connaît sur Terre avec le lac Vostok par exemple) avec tous les sous-entendus que cela suggère en terme d'exobiologie. Si cela se confirme, on peut envisager l'existence d'autres nappes souterraines sur Mars, ce qui faciliterait grandement la vie des futurs explorateurs de la planète Rouge.

Matériau

Constante

diélectrique

Matériau

Constante

diélectrique

Vide

1

Calcaire

4,0

Air sec

1,0006

Quartz

4,5

Eau (vapeur)

1,00785

Talc

5,3

Acétone

1,0159

Basaltes / Andésites

 5 - 7

Butane à -1°C

1,4

Mica blanc

9,6

Cendre (volante)

1,7 - 2,0

Argiles (humides - sèches)

8 - 12

Papier

2,3

Bois humide

10 - 30

Benzène à 20°C

2,3

Eau à 100°C

55,7

Pétrole lourd

3,0

Eau de mer (sal. 32%)

77

Sel

3,0 - 15,0

Eau douce

81

Sable (humide - sec)

3,0 - 5,0

Eau pure

87,7

Glace

3,2

Oxyde de Titane

100

Marbre

4,0

Acide cyanhydrique (HCN)

158

Valeurs de la constante diélectrique de quelques milieux et matériaux à 0°C et pression normale sauf autre mention. Extrait des constantes diélectriques de Clipper Controls, de la thèse de L.Comparon et de "Géophysique de gisement et de génie civil" (1998, p349) de Jean-Luc Mari et al.

NB. La permittivité diélectrique ou constante diélectrique décrit la réponse d'un milieu ou d'un matériau soumis à un champ électrique. Elle caractérise sa capacité à emmagasiner de l'énergie électrostatique. Cette propriété intervient dans la propagation des ondes électromagnétiques et est exploitée par l'industrie pour fabriquer des instruments de mesures (radars, sondes RF, etc) et des matériaux offrant des propriétés spéciales (verres, céramiques, etc).

Mais certains chercheurs ne sont pas du même avis. Certains membres de l'équipe MARSIS estiment que cette permittivité n'est pas suffisamment importante pour correspondre à de l'eau et suggèrent qu'il s'agirait plutôt de roche. Toutefois, il est rare que des roches présentent une telle permittivé (elle oscille généralement entre 2 et 10. L'oxyde de titane peut atteindre 100).

Certains estiment qu'il s'agirait de glace. Mais si la pression est élevée, elle est liquide et vraisemblablement très salée. Dans la perspective d'une exobiologie, ce serait donc un milieu hypersalin très hostile et même mortel pour les micro-organismes, du moins si on se base sur les critères terrestres. Mais ceci est purement spéculatif et devra être confirmé par une future mission in situ.

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.

Ci-dessus, coupe verticale dans la calotte boréale de Mars couvrant une partie de Vastitas Borealis réalisée grâce au radar SHARAD et traduite en couleurs interprétées. L'image couvre 940 km en longueur et 3 km en altitude dont 2 km de dépôts stratifiés (partie supérieure stratifiée et échancrée et ci-dessous sous la courbe cyan). Elle abrite un cavi (lobe principal), une dépression à parois abruptes, constituée d'une surface basale surmontée de réflecteurs internes présentant une permitivité plus élevée que celle de la glace d'eau. Ce cavi comprend un mélange de glace d'eau et de sable accumulés au fil des glaciations, typique d'un champ de dunes, similaire à celui d'Olympus Planum (Olympia Undae). Ci-dessous, l'image interprétée. Les chercheurs pensent que le cavi est composé de couches alternées de glace d'eau (bleu) et de sable (lignes oranges), tandis qu'aux latitudes moyennes, vers Olympia Planum, les roches sont plus abondantes. Documents S.Nerozzi et al. (2019) adaptés par l'auteur.

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."

Image composite en couleurs représentatives (interprétées) prise à la verticale de la surface de Mars par la caméra HiRISE montrant des couches alternées de glace (en bleu clair) et de sable (bleu foncé) exposées à l'érosion martienne. Les minuscules taches blanches brillantes sont de fines plaques de givre. Document NASA/JPL/U.Az.

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."

Prochaines missions vers Mars

Les prochains missions des landers et rovers d'exploration viseront à détecter des traces de vie qui auraient put exister, ou existent peut-être encore sur Mars, notamment aux abords des gullies, dans les ruisseaux de saumure ou sous les corniches. Nous savons déjà que l'idée selon laquelle Mars fut habitable est plausible. Selon Squyres, "si cette interprétation est correcte, la région de la Corniche d'Opportunity pourrait même avoir préservé quelques traces d'organismes vivants".

Les découvertes d'Opportunity font de Meridiani Planum un lieu privilégié où pourraient être conduites les futures recherches exobiologiques in situ. Les sites des saumures et les régions bordant les calottes polaires sont également des lieux tout indiqué, en particulier leur sous-sol abrité des rayons UV. L'avenir reste passionnant.

PS. Le 13 février 2019, la NASA annonça la fin de la mission d'Opportunity, ayant perdu tout contact avec le rover depuis juin 2018.

Pour plus d'informations

La survie des microbes sur Mars (sur ce site)

NASA Mars Exploration

Mars Curiosity

Dirty ice on Mars, IGP Hawaii, PSDR, 2002

Mars contamination fear could divert Curiosity rover, Nature, 2016

Preventing the forward contamination of Mars, Governing Board of the National Research Council, 2006.

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