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2021-02-10

Pour la première fois, un gaz jamais identifié sur Mars a été détecté par le satellite ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA-Roscosmos. Le sel marin incrusté dans la surface poussiéreuse de Mars ensuite emporté dans l'atmosphère de la planète a conduit à la découverte du chlorure d'hydrogène. TGO fournit également de nouvelles informations sur la façon dont Mars perd son eau.

L'une des grandes quêtes de l'exploration de Mars est la recherche de gaz atmosphériques liés à l'activité biologique ou géologique, ainsi que la compréhension de l'inventaire passé et présent de l'eau sur la planète, afin de déterminer si Mars a pu être habitable dans son passé et si des réservoirs d'eau pourraient être accessibles pour une future exploration humaine. Deux nouveaux résultats de l'équipe ExoMars publiés aujourd'hui dans Science Advances dévoilent une toute nouvelle classe de chimie, de la famille des halogènes, et fournissent des informations supplémentaires sur les changements saisonniers et les interactions surface-atmosphère.

Une nouvelle chimie

La mission Trace Gas Orbiter collecte des données atmosphériques sur Mars depuis le printemps 2018. Outre la recherche de méthane, la détection de nouveaux gaz est l'un des principaux objectifs de la mission. Les dernières recherches sur Mars ont maintenant conduit à la découverte, pour la première fois, d'un nouveau gaz dans l'atmosphère martienne : le chlorure d'hydrogène. C'est la première détection d'un gaz halogène dans l'atmosphère de Mars, et cela représente un nouveau cycle chimique à comprendre.

Le chlorure d'hydrogène gazeux, ou HCl, comprend un atome d'hydrogène et un atome de chlore. Les scientifiques martiens ont toujours été à la recherche de gaz à base de chlore ou de soufre, car ces derniers sont des indicateurs possibles de l'activité volcanique. Mais la nature des observations - le fait que le chlorure d'hydrogène ait été détecté dans des endroits très éloignés en même temps, et l'absence d'autres gaz que l'on pourrait attendre de l'activité volcanique - indique une source différente. La découverte suggère une interaction surface-atmosphère entièrement nouvelle, due aux saisons de poussière sur Mars, qui n'avait pas été explorée auparavant.

Selon un processus très similaire à celui observé sur Terre, les sels sous forme de chlorure de sodium (NaCl) - vestiges des océans évaporés et emprisonnés dans la surface poussiéreuse de Mars - sont soulevés dans l'atmosphère par les vents. La lumière du soleil réchauffe l'atmosphère, ce qui provoque l'ascension des poussières, ainsi que de la vapeur d'eau (H2O) libérée par les calottes glaciaires. La poussière salée réagit avec l'eau atmosphérique pour libérer du chlore, qui lui-même réagit avec les molécules contenant de l'hydrogène pour créer du chlorure d'hydrogène. D'autres réactions pourraient faire redescendre à la surface les poussières riches en chlore ou en acide chlorhydrique, peut-être sous forme de perchlorates, une classe de sel composée d'oxygène et de chlore.

HCl formation process
Comment le chlorure d'hydrogène peut être synthétisé sur Mars. Crédit: ESA

L'eau semble être un élément critique dans cette chimie : il faut de la vapeur d'eau pour libérer le chlore et il faut les sous-produits de l'eau - l'hydrogène - pour former du chlorure d'hydrogène. Mais la poussière martienne joue également un rôle important : on observe davantage de chlorure d'hydrogène lorsque l'activité de la poussière s'intensifie, un processus lié au réchauffement saisonnier de l'hémisphère sud.

L'équipe a repéré ce gaz pour la première fois lors de la tempête de poussière globale de 2018, en observant son apparition simultanée dans les deux hémisphères, nord et sud, et a constaté sa disparition étonnamment rapide à nouveau à la fin de la période saisonnière de poussière. Les scientifiques ont depuis déjà examiné les données recueillies au cours de la saison des poussières suivante et voient le HCl remonter.

Des tests approfondis en laboratoire et de nouvelles simulations atmosphériques globales seront nécessaires pour mieux comprendre l'interaction surface-atmosphère à base de chlore, ainsi que des observations continues sur Mars pour confirmer que la hausse et la baisse du HCl sont dues à l'été dans l'hémisphère sud.

La hausse de la vapeur d'eau donne des indices sur l'évolution du climat

En plus des nouveaux gaz, le Trace Gas Orbiter affine notre compréhension de la façon dont Mars a perdu son eau - un processus qui est également lié aux changements saisonniers.

On pense que de l'eau liquide s'est autrefois écoulée à la surface de Mars, comme en témoignent les nombreux exemples d'anciennes vallées asséchées et de canaux de rivières. Aujourd'hui, elle est principalement enfermée dans les calottes glaciaires et emprisonnée sous la surface. Mars perd encore de l'eau aujourd'hui, sous forme d'hydrogène et d'oxygène s'échappant de l'atmosphère.

La compréhension de l'interaction des réservoirs potentiels d'eau et de leur comportement saisonnier et à long terme est essentielle pour comprendre l'évolution du climat de Mars. Cela peut être fait par l'étude de la vapeur d'eau et de l'eau "semi-lourde" (où un atome d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, une forme d'hydrogène avec un neutron supplémentaire).

Le rapport deutérium/hydrogène, D/H, nous renseigne sur l'histoire de l'eau sur Mars, et sur l'évolution de la perte d'eau au fil du temps.

Avec le Trace Gas Orbiter, nous pouvons observer le cheminement des isotopologues de l'eau lorsqu'ils montent dans l'atmosphère avec un niveau de détail impossible auparavant. Les mesures précédentes ne fournissaient que la moyenne sur la profondeur de l'atmosphère entière. C'est comme si nous n'avions qu'une vue en 2D avant, maintenant nous pouvons explorer l'atmosphère en 3D.

dit Ann Carine Vandaele de l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, investigatrice principale de l'instrument Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) qui a été utilisé pour cette étude.

Tracking water loss on Mars
ExoMars observant l'eau dans l'atmosphère martienne. Crédit: ESA

Les nouvelles mesures révèlent une variabilité spectaculaire du D/H en fonction de l'altitude et de la saison, à mesure que l'eau s'élève par rapport à son emplacement d'origine. Les données montrent qu'une fois que l'eau est complètement vaporisée, elle présente un grand enrichissement en eau semi-lourde, correspondant à un rapport D/H six fois supérieur à celui de la Terre, confirmant que de grandes quantités d'eau ont été perdues au fil du temps.

Les données ExoMars recueillies entre avril 2018 et avril 2019 ont également montré trois cas d'accélération de la perte d'eau dans l'atmosphère : la tempête de poussière globale de 2018, une tempête régionale courte mais intense en janvier 2019, et la libération d'eau de la calotte polaire sud pendant les mois d'été liée au changement de saison. Il convient de noter en particulier un panache de vapeur d'eau ascendante pendant l'été austral qui pourrait injecter de l'eau dans la haute atmosphère sur une base saisonnière et annuelle.

Les futures observations coordonnées avec d'autres engins spatiaux, notamment MAVEN de la NASA, qui se concentre sur la haute atmosphère, fourniront des informations complémentaires sur l'évolution de l'eau au cours de l'année martienne.

Le changement des saisons sur Mars, et en particulier l'été relativement chaud dans l'hémisphère sud, semble être le moteur de nos nouvelles observations telles que la perte accrue d'eau dans l'atmosphère et l'activité de la poussière liée à la détection du chlorure d'hydrogène, que nous constatons dans les deux dernières études. Les observations de Trace Gas Orbiter nous permettent d'explorer l'atmosphère martienne comme jamais auparavant.

Seasonal variability of water in the martian atmosphere
Variabilité saisonnière de l'eau (à gauche) et D/H (à droite) pour les hémisphères nord (en haut) et sud (en bas), telle que déterminée par l'instrument Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) à bord d’ExoMars Trace Gas Orbiter de l'ESA-Roscosmos. On observe que l'eau atteint des altitudes supérieures à 80 km pendant les tempêtes de poussière régionales et mondiales, et au début de l'été austral (appelée « Aspirator »). Les températures plus froides aux pôles et dans l'atmosphère moyenne entraînent un fractionnement de l'eau et une diminution apparente du D/H. Pourtant, lorsque l'eau est entièrement vaporisée, elle affiche un fort enrichissement six fois supérieur à celui des océans de la Terre, ce qui confirme que de grandes quantités d'eau ont été perdues dans l'espace au fil du temps.
Crédit: Villanueva et al. (2021)

Articles

Contact

  • Dr. Ann Carine Vandaele, IASB Equipe de recherche “Atmosphères planétaires”, ExoMars TGO NOMAD Principal Investigator.
    Email: a-c(point)vandaele(arobase)aeronomie(point)be
  • Stéphanie Fratta, IASB Service “Communication et documentation”. E-mail: Stéphanie(pointFratta(arobase)aeronomie(point)be

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Image des régions de Terra Sabaea et Arabia Terra de Mars, composée de données recueillies par le High Resolution Stereo Camera sur la sonde spatiale Mars Express de l'ESA. Crédit: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)
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Exemples de spectres montrant la détection du chlorure d'hydrogène (HCl) recueillis par la suite de chimie atmosphérique (ACS) à bord de l'orbiteur ExoMars Trace Gas de l'ESA-Roscosmos. Les données ont été collectées par la méthode d'occultation solaire où l'instrument pointe à travers l'atmosphère vers le Soleil et observe comment différents ingrédients atmosphériques absorbent la lumière du Soleil. Comme les différents produits chimiques ont des empreintes distinctes, ces observations fournissent un inventaire détaillé de la composition de l'atmosphère. Ce graphique détaille la façon dont le HCl varie avec l'altitude pour un ensemble particulier de mesures.
Crédit: Korablev et al (2021)
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Graphique de données montrant les mesures de chlorure d'hydrogène dans l'atmosphère de Mars, telles que recueillies par l'Atmospheric Chemistry Suite (ACS) à bord de l'orbiteur ExoMars Trace Gas Orbiter de l'ESA-Roscosmos. Les détections ont également été confirmées par l'instrument complémentaire, Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD). La tempête de poussière mondiale de 2018 est indiquée par le gradient brun/orange. Le graphe montre les emplacements des mesures dans le temps (longitude solaire) et la latitude planétaire.
Crédit: Korablev et al (2021)