Le modèle GEM-Mars propose des pistes pour mieux comprendre la chimie martienne

2023-2024
Les modèles martiens continuent à sous-estimer les abondances d'ozone les plus élevées sur Mars, révélant un problème fondamental dans notre compréhension de la chimie de l'atmosphère martienne. Il a déjà été suggéré que les réactions hétérogènes sur les nuages de glace d'eau pourraient résoudre ce problème mais des questions essentielles restent ouvertes.

Le modèle climatique martien GEM-Mars de l’IASB a permis d'explorer un large éventail de processus susceptibles de contribuer à la résolution de l'énigme. Cette étude a permis de formuler des recommandations pour guider la communauté scientifique.

Après des décennies d'observations spatiales et de modélisation théorique, notre compréhension fondamentale de l'atmosphère martienne n’est pas encore complète. Les modèles sous-estiment notamment les abondances d'ozone les plus élevées.. L'absorption hétérogène du radical hydroperoxyle (HO2) sur les nuages de glace d'eau est une des pistes avancées pour améliorer cette situation, mais des questions fondamentales restent ouvertes.

Le problème a été récemment abordé en utilisant le modèle climatique martien GEM-Mars de l’IASB. Ce travail a été réalisé avec le soutien du Dr. John Crowley de l'Institut Max Planck de Chimie (Allemagne), un expert mondial en chimie hétérogène.

Le modèle GEM-Mars

GEM-Mars est un modèle météorologique et climatique pour Mars qui a été développé à l'origine au Canada et qui, depuis 15 ans, est développé et géré à l’IASB.

Il permet de simuler en 3D l'interaction des principaux composants de l'atmosphère martienne, notamment la poussière, les glaces et une série de gaz atmosphériques. GEM-Mars est l'un des deux seuls modèles de ce type au monde qui contiennent une description complète de la chimie atmosphérique fondamentale sur Mars.

Exploration de nouveaux processus

Notre étude a fourni des indications selon lesquelles le taux de réaction obtenu expérimentalement pour l'absorption de HO2 sur la glace est trop important, et nous avons démontré qu'avec un coefficient d'absorption réduit, l'impact sur l'ozone est négligeable. Cela nous a amené à rechercher des processus alternatifs.

Pour commencer, nous avons étudié le comportement à basse température du peroxyde d'hydrogène (H2O2) et son impact sur l'ozone, et nous avons montré que le H2O2 peut être détruit dans les glaces de surface sur Mars. Ces résultats ont été confirmés par une première recherche négative de H2O2 dans les observations satellites des glaces de surface.

Ensuite, en collaboration avec l'Institut Max Planck de Chimie, nous avons testé toutes les réactions hétérogènes sur des particules de poussière et de glace d'eau recommandées pour l'atmosphère terrestre. Nous avons constaté que l'absorption de HO2 et de H2O2 par la poussière minérale sur Mars est trop efficace si l'on utilise les coefficients d'absorption terrestres connus.

Enfin, nous avons découvert que les nuages de glace d'eau font écran à la lumière solaire entrante, induisant des abondances d'ozone plus importantes sous les nuages, un processus qui n'avait jamais été bien pris en compte auparavant.

La combinaison de ces processus a amélioré la simulation de l'ozone mais pas suffisamment. Nous avons donc conclu que la modélisation atmosphérique devait être affinée et que de nouvelles observations et expériences en laboratoire étaient nécessaires. À cette fin, nous avons formulé des recommandations détaillées pour guider la communauté scientifique dans la résolution de cette énigme.
 

Référence

Daerden, F., Crowley, J. N., Neary, L., et al. (2023). Heterogeneous processes in the atmosphere of Mars and impact on H2O2 and O3 abundances. Journal of Geophysical Research: Planets, 128, e2023JE008014. https://doi.org/10.1029/2023JE008014

Instantané d'une simulation GEM-Mars de l'ozone
Instantané d'une simulation GEM-Mars de l'ozone (O3, ombrage couleur) près de la surface au début de l'été boréal, avec une vue du pôle Nord et un grand volcan (Elysium Mons) juste en dessous du centre de l'image. Contours : blanc uni : calotte polaire ; noir : topographie de surface ; flèches blanches : vents près de la surface.
Colonne totale d'ozone sur Mars : différences entre observations et simulations
La figure (a) montre la colonne d'ozone totale sur Mars observée par l'instrument MARCI de la NASA/MRO pour une année complète (axe des x) et pour toutes les latitudes (axe des y). En dessous, trois simulations GEM-Mars sont présentées : (b) sans chimie hétérogène, (c) avec absorption de HO2 sur la glace en utilisant le coefficient d'absorption non encore confirmé, (d) avec les nouveaux processus explorés dans cette étude. Les graphiques de droite montrent les différences avec les observations. Les lignes de contour noires indiquent les nuages de glace d'eau. Source : Daerden et al. (2023).
Quantité de peroxyde d'hydrogène (H2O2) simulée dans le modèle GEM-Mars
Quantité de peroxyde d'hydrogène (H2O2) simulée dans le modèle GEM-Mars en phase gazeuse (en haut), en phase solide (deuxième ligne), et quantité adsorbée sur la glace d'eau (troisième ligne), et ce pour les quatre saisons (de gauche à droite : printemps boréal, été, automne et hiver). La ligne inférieure montre le nombre simulé de couches de H2O2 adsorbées sur les particules de glace d'eau. Chaque figure montre l’altitude (axe y) en fonction de la latitude (axe x). Les contours blancs indiquent la température (2 lignes supérieures) et la teneur en eau de la glace (2 lignes inférieures). Source : Daerden et al. (2023).