L'atmosphère martienne il y a 3,6 milliards d'années

Selon les résultats d'une étude publiée dans la revue Nature Geoscience^[14],[15], « la pression atmosphérique d'il y a 3,6 milliards d'années devait se situer autour de 0,9 bar », « 150 fois plus que la valeur actuellement observée ». Cette valeur a été obtenue grâce à l'analyse des images fournies par le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) sur lesquelles apparaissent « plus de 300 cratères d'impact imprimés à la surface de Mars dans une région s'étalant sur 84 000 kilomètres carrés et située près de l'équateur ». En effet, « plus l'atmosphère d'une planète est dense, moins les météorites ont de chance d'arriver à percuter sa surface en restant intactes », ce qui signifie que, pour une atmosphère donnée, il « correspond une taille minimale de météorite capable d'y creuser un cratère ». Dans cette zone, 10 % des cratères ont un diamètre inférieur ou égal à 50 mètres. Un logiciel simulant l'arrivée de météorites sur Mars et prenant en compte des atmosphères de différentes densités a alors été utilisé. Bien que la pression atmosphérique estimée soit comparable à celle actuellement présente à la surface de la Terre, il semble que ce fût néanmoins « insuffisant pour permettre de conserver de l'eau liquide à la surface de Mars » et que l'atmosphère de Mars il y a 3,6 milliards d'années n'aurait jamais été assez dense pour permettre de façon durable des températures assez élevées pour l'émergence de la vie : les estimations indiquent en effet qu'il aurait fallu une atmosphère trois fois plus importante pour maintenir durablement la surface de Mars au-dessus du point de congélation. On peut donc en « exclure un effet de serre chaud et humide, et les températures moyennes à long terme étaient très probablement inférieures au point de congélation ». Il en résulte que les coulées d'eau à la surface de Mars n'auraient été qu'épisodiques, résultat éventuel de « la variation d'inclinaison des pôles de la planète rouge ou [d']éruptions volcaniques », ou encore « d'une collision entre des astéroïdes, générant une chaleur intense », ces deux derniers scénarios ayant pu épaissir l'atmosphère pendant plusieurs dizaines voire centaines d'années.

Troposphère

La troposphère martienne s'étend jusqu'à environ 45 km d'altitude^[17] voire 60 km^[18].

Elle se caractérise, tout comme la troposphère terrestre, par une baisse progressive de sa température en fonction de l'altitude, de l'ordre de 2,5 K/km^[18] ; la température à la tropopause est d'environ 140 K^[18] (−130 °C). Dans cette couche atmosphérique, les échanges de chaleur se font principalement avec le sol et notamment avec la poussière en suspension. De même, en cas de tempêtes de poussière, la température de l'atmosphère peut augmenter, ce qui réduit la part des échanges thermiques avec la surface dans le contrôle de la température mais réduit aussi l'importance des variations de température durant la journée.

La diminution de la température est due, quant à elle, au phénomène de détente adiabatique. Toutefois le rayonnement infrarouge émis par la surface et les particules en suspension qui absorbent une partie de la chaleur reçue du Soleil limite la baisse de température causée par ce phénomène^[11].

Mésosphère

La mésosphère martienne s'étend de 45 km à 110 km d'altitude.

Un courant-jet parcourt cette région où les températures sont, par ailleurs, relativement constantes. En effet, le rayonnement ultraviolet ne peut être absorbé car il n'y a pas sur Mars une couche d'ozone comme sur Terre.

Thermosphère et ionosphère

La thermosphère est la partie de l'atmosphère martienne qui s'étend de la mésopause, à 110 km jusqu'à la thermopause, située vers 200 km d'altitude. La température régnant dans cette région atmosphérique augmente à nouveau en fonction de l'altitude en raison de l'absorption des rayons ultraviolets par les composants atmosphériques.

Dans cette couche atmosphérique, le rayonnement solaire ionise les gaz, formant ainsi l'ionosphère. Cette ionisation est due d'une part à la baisse de densité de l'atmosphère martienne vers 120 km d'altitude, et d'autre part à l'absence de champ magnétique qui permet la pénétration du vent solaire dans l'atmosphère. Cette couche s'étend de 100 km à près de 800 km d'altitude.

Dioxyde de carbone

Le composant principal de l'atmosphère martien est le dioxyde de carbone (CO₂). Durant l'hiver martien les pôles sont perpétuellement dans l'obscurité et la surface devient si froide que près de 25 % du CO₂ atmosphérique se condense aux calottes polaires en glace de CO₂ solide (glace sèche). Quand les pôles sont à nouveau exposés à la lumière solaire, l'été martien, la glace de CO₂ se sublime dans l'atmosphère. Ce processus conduit à des variations significatives de la pression et de la composition atmosphérique durant l'année martienne au niveau des pôles.

Argon

L'atmosphère de Mars est aussi enrichie en argon, un gaz rare, en comparaison des autres atmosphères des planètes du Système solaire.

Contrairement au dioxyde de carbone, l'argon ne se condense pas dans l'atmosphère martienne, ainsi la quantité d'argon dans l'atmosphère martienne est constante. Toutefois, la concentration relative dans un lieu donné peut changer à cause des variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Des données relevées par satellites ont récemment montré une augmentation de la quantité d'argon atmosphérique au-dessus du pôle sud de Mars en automne, qui se dissipe lors du printemps suivant^[19].

Dioxygène

Des variations saisonnières de la teneur en dioxygène ont été observées en 2019 dans la région du cratère Gale^[20]; l'origine de cette variation n'est pas expliquée^[20]. Les données relevées du 24 avril au 1^er décembre 2019 par l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique laissent supposer l'émission d'oxygène vert sur Mars^[21]. Cette théorie est confirmée en juin 2020, lorsque l'orbiteur Trace Gas Orbiter détecte une lueur verte permanente dans l'atmosphère de Mars, phénomène qui n'avait été observé jusque-là que dans l'atmosphère terrestre^[21].

Eau

Puisque le dioxyde de carbone se sublime dans l'atmosphère durant l'été martien, il laisse des traces d’eau. Les vents saisonniers soufflent aux pôles à une vitesse approchant les 400 km/h et transportent de grandes quantités de poussière et de vapeur d'eau donnant naissance à des cirrus. Ces nuages d'eau glacée ont été photographiés par le rover Opportunity en 2004^[22]. Les scientifiques de la NASA travaillant sur la mission Phoenix Mars confirmèrent le 31 juillet 2008 qu'ils avaient trouvé de la glace d'eau sous la surface du pôle nord de Mars.

Méthanal

En février 2005, du méthanal a été découvert par la sonde Mars Express, en quantité beaucoup plus importante que prévu, ce qui a soutenu la théorie de la vie microbienne. Les résultats de ces mesures sont encore l'objet de nombreux débats scientifiques sans conclusion définitive^[23]. Une partie des scientifiques soutient que les mesures ont été interprétées de façon erronée^[24].

Présence de méthane

Distribution du méthane dans l'atmosphère de Mars en été et dans l'hémisphère nord.

Des traces de méthane, en parties par milliard, ont été découvertes dans l'atmosphère de Mars par une équipe au Goddard Space Flight Center de la NASA en 2003^[7],[25]. La présence de méthane sur Mars fait toutefois débat ; en effet du méthane a été détecté à la fois au sol par Curiosity et depuis l'espace par Mars Express en juin 2013 au niveau de cratère Gale avec une concentration de 15,5 ± 2,5 ppb^[26] mais il s'agit d'un événement unique et la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter n'a pas détecté de méthane dans l'atmosphère martienne malgré une sensibilité des instruments de l'ordre de 0,05 ppb^[27].

En mars 2004 la sonde Mars Express^[28] et des observations du Canada-France-Hawaii Telescope^[29] suggérèrent aussi la présence de méthane dans l'atmosphère avec une concentration de 10 ppb^[30]. La présence de méthane sur Mars est intrigante, puisqu'en tant que gaz instable il indique la présence d'une source sur la planète. On estime que Mars doit produire 270 tonnes de méthane par an^[31],[32], mais les impacts d'astéroïdes ne représentent que 0,8 % de la production totale de méthane. Bien que l'existence de sources géologiques de méthane soit envisageable, l'absence de volcanisme, ou de points chauds, n'est pas favorable à l'émission d'un méthane d'origine géologique.

L'existence de vie micro-organique telle que les micro-organismes méthanogènes serait une possibilité, mais cette source n'est pas encore prouvée.

Le méthane semble arriver par saccades, ce qui suggère qu'il est rapidement détruit avant qu'il ne soit uniformément réparti dans l'atmosphère. Il semble donc aussi continuellement relâché dans l'atmosphère. Des projets sont en préparation pour rechercher un « gaz compagnon » afin d'identifier la source la plus probable de méthane ; dans les océans terrestres, la production de méthane d'origine biologique tend à être accompagnée d'éthane, tandis que le méthane d'origine volcanique est accompagné de dioxyde de soufre.

On a montré récemment que le méthane pouvait être produit par un processus non biologique impliquant l'eau, le dioxyde de carbone et l'olivine, qui est commune sur Mars^[33]. Les conditions requises pour cette réaction (c'est-à-dire des températures et pressions élevées) n'existent pas actuellement à la surface de la planète, mais pourraient exister au sein de la croûte. Pour prouver l'existence de ce processus, de la serpentine, un minéral résultant lui aussi du processus, devait être détectée. Cette détection a été effectuée en 2009 par le spectromètre CRISM de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter^[34]

L'Agence spatiale européenne (ASE) remarqua que la concentration de méthane coïncidait avec la présence de vapeur d'eau. Dans la haute atmosphère ces deux gaz sont distribués uniformément, mais, près de la surface, ils se concentrent en trois régions équatoriales, c'est-à-dire Arabia Terra, Elysium Planitia, et Arcadia Memnonia. Afin d'exclure la nature biologique du méthane, une sonde future devra posséder un spectromètre de masse, puisque les isotopes carbone 12 et carbone 14 peuvent distinguer l'origine biologique ou non biologique du méthane^[35]. En 2012, le Mars Science Laboratory mesurera ces isotopes dans le CO₂ et le méthane^[10]. Si une vie martienne microscopique produit du méthane, elle serait susceptible de se trouver profondément sous terre, où il fait encore suffisamment chaud pour que de l'eau liquide existe^[36].

Ammoniac

L'ammoniac dans l'atmosphère martienne est hautement instable et ne dure que quelques heures. En dépit de cette durée de vie minime, ce composé a été détecté sur Mars^[37]. La découverte de l'ammoniac est un argument utilisé par les tenants de la théorie de la présence actuelle de vie sur Mars. Cependant, les résultats des mesures spectrométriques ont été mis en cause par la communauté scientifique qui souligne que le spectromètre utilisé n'a pas une sensibilité suffisante pour distinguer l'ammoniac du dioxyde de carbone^[38]. Pour des résultats définitifs, il faudra reconduire une mission de mesure.

Historique des observations

Giancomo Miraldi découvrit en 1704 que la calotte polaire sud n'était pas centrée sur l'axe de rotation de Mars^[39]. Durant l'opposition de 1719, Miraldi observa deux calottes polaires et une variation dans le temps de leurs étendues respectives.

William Herschel a été le premier à déduire la faible densité de l'atmosphère martienne dans sa publication de 1784 On the remarkable appearances at the polar regions on the planet Mars, the inclination of its axis, the position of its poles, and its spheroidal figure; with a few hints relating to its real diameter and atmosphere. Quand Mars passa devant deux étoiles de faible intensité, Herschel constata que leurs brillances n'étaient pas affectées par l'atmosphère de la planète. Il conclut alors qu'il y avait trop peu d'atmosphère autour de Mars pour interférer avec leur lumière^[39].

Honoré Flaugergues découvrit en 1809 des « nuages jaunes » sur la surface de Mars. C'est la première observation connue des tempêtes de poussières martiennes^[40].

Paléoclimatologie martienne

Avant d'aborder un examen sérieux de la paléoclimatologie martienne, certains termes doivent être définis, spécialement les termes étrangers. Il y a deux échelles de temps pour Mars. La première, fondée sur la densité des cratères, compte trois ères, le Noachien, le Hespérien, et l'Amazonien. La seconde, fondée sur les minéraux, comprend également trois ères, le Phyllosien, le Theiikien, et le Sidérikien.

Des observations et des modèles fournissent des informations non seulement à propos des conditions atmosphériques et climatiques actuelles mais aussi sur le climat passé. L'atmosphère de l'ère noachienne a souvent été considérée comme riche en carbone. Mais des observations récentes ont montré, grâce aux dépôts argileux^[41], qu'il y avait peu de formations carbonatées dans les argiles datant de cette époque.

La découverte de goethite par Spirit a mené à la conclusion que les conditions climatiques dans le passé lointain de Mars permettaient l'écoulement de l'eau sur sa surface. La morphologie de certains cratères d'impact indique que le sol était humide lors de l'impact.

Temps

La température et la circulation atmosphérique martiennes varient d'année en année. Mars n'a pas d'océan, une des sources des variations de la température sur Terre. Les données de la caméra de Mars Orbital, commençant en mars 1999 et couvrant une période de 2,5 années martiennes^[42], montrent que le temps martien tend à être plus répétitif, donc plus prévisible, que celui de la Terre. Si un événement se produit à un moment donné durant une année, les données disponibles indiquent qu'il y a de fortes possibilités que cet événement se reproduise l'année suivante au même lieu.

Le 29 septembre 2008, la sonde Phoenix lander prit des photos de neige tombant à partir de nuages se trouvant à 4,5 km au-dessus de son point d'atterrissage près du cratère Heimdall. Cette neige se vaporisa avant d'atteindre le sol ; ce phénomène s'appelle virga^[43].

Nuages

Animation de nuages de glace se déplaçant au-dessus du site d'atterrissage de Phoenix. Autres nuages martiens.

Photo, prise par Mars Express, du nuage se formant sur Arsia Mons.

Les vents soulèvent des particules d'argile de taille inférieure à 100 micromètres. En faibles quantités, ces particules donnent au ciel sa couleur orange ocre^[44]. On observe peu fréquemment des tempêtes qui peuvent obscurcir tout ou partie de la planète^[45].

Il existe également des nuages d'eau et de dioxyde de carbone dont l'aspect est très proche de celui des cirrus. Certains nuages sont si fins qu'ils ne peuvent être aperçus que lorsqu'ils reflètent la lumière du Soleil dans l'obscurité. En ce sens, ils sont proches des nuages noctulescents de la Terre. En 2018, la caméra de surveillance visuelle (en) à bord de Mars Express a observé un spectaculaire nuage de glace d'eau s'étendant jusqu'à 1 800 km à l'ouest du volcan Arsia Mons. Son étude à l'aide de plusieurs instruments en orbite autour de Mars, ainsi que l'analyse de photographies plus anciennes, a montré que ce nuage se forme régulièrement chaque matin pendant plusieurs mois au printemps et en été, chaque année depuis au moins cinq années martiennes. Il commence à se développer à partir d'Arsia Mons à l'aube à une altitude d'environ 45 km, et s'étend vers l'ouest pendant environ deux heures et demie, à une vitesse atteignant 170 m/s (environ 600 km/h). Il se détache alors d'Arsia Mons et s'évapore avant midi^[46],[47].

Température

La température moyenne sur Mars est −63 °C (à comparer aux 15 à 18 °C sur Terre). Cette température est causée par la faible densité de l'atmosphère qui fait que l’effet de serre induit n'est que de 3 kelvins (33 K pour la Terre^[48]). En outre, la distance avec le Soleil étant en moyenne 1,5 fois plus importante, Mars reçoit 57 % d'énergie solaire par unité d'aire en moins que la Terre, soit seulement 12 % de l'énergie solaire totale arrivant sur Terre, leurs diamètres respectifs pris en considération.

Toutefois, si la température au sol peut descendre à −143 °C en hiver aux pôles, elle peut atteindre 27 °C en plein été aux basses latitudes. À noter également que la faible inertie de stockage de la chaleur, notamment due à l’absence d’océan et à une atmosphère ténue, induit de fortes variations thermiques entre le jour et la nuit : de −89 °C à −24 °C sur le site de Viking 1 (Chryse Planitia)^[49].

Saisons

Cycle des saisons martiennes.

L’inclinaison de l'axe de Mars est 25,19°, soit très proche des 23,45° de celle de la Terre. Mars connaît donc des saisons opposées dans les hémisphères nord et sud. Avec une excentricité orbitale de 0,0934 (0,0167 pour la Terre), l'orbite de Mars est fortement elliptique et sa distance au Soleil varie entre un maximum, l'aphélie, de 249,228 millions de kilomètres et un minimum, le périhélie, de 206,644 millions de kilomètres. En outre, le périhélie coïncide avec le solstice d'hiver boréal, et l'aphélie avec le solstice d'été boréal. Ceci a pour effet de provoquer des différences dans la durée et l'intensité des saisons observées aux deux hémisphères. Au périhélie par exemple, le pôle sud est orienté vers le Soleil et reçoit 40 % d'énergie en plus que le pôle nord à l'aphélie.

Saison		Jours martiens (sur Mars)	Jours terrestres (sur Terre)
Hémisphère nord	Hémisphère sud
Printemps	Automne	193,30	92,764
Été	Hiver	178,64	93,647
Automne	Printemps	142,70	89,836
Hiver	Été	153,95	88,997

Les hivers sont relativement « doux » et courts dans l’hémisphère nord et longs et froids dans l’hémisphère sud. De même, les étés sont courts et chauds au sud et longs et frais au nord. Les écarts de températures sont ainsi plus élevés au sud qu’au nord.

Cycle glaciaire

L'obliquité de la planète, qui n'est pas stabilisée par la présence d'un satellite massif comme c'est le cas pour la Terre, suit un régime chaotique selon une périodicité d’environ 120 000 ans. Elle oscille entre 0° et 60° et connaît des phases relativement stabilisées entrecoupées de changements brusques, ce qui bouleverse complètement le climat martien^[50].

Des recherches poussées, assistées d'un modèle climatique général relativement simplificateur, montrent l'existence probable de tendances climatiques de long terme : en régime de forte obliquité, la glace s'accumule dans quelques régions équatoriales isolées ; en régime de faible obliquité, ces calottes fondent et la glace s'accumule aux hautes latitudes sud et nord, de façon généralisée. On retrouve alors une dynamique pseudo-glaciaire-interglaciaire par analogie à la Terre. En fait, ces phases sont plus marquées sur Mars et pourraient expliquer pourquoi d'immenses étendues du sous-sol martien aux hautes latitudes sont constituées d'un mélange de glace et de régolithe dans des proportions étonnantes. Globalement, ces résultats, bien qu'imprécis et tributaires de postulats forts, sont compatibles avec les données et hypothèses géologiques et chimiques issues des missions spatiales successives.

Vents

La surface de Mars a une faible inertie thermique, ce qui signifie qu'elle chauffe rapidement quand le Soleil l'éclaire. Sur Terre, le vent se crée là où il y a des changements brutaux d'inertie thermique, par exemple de la mer vers la terre. Il n'y a pas de mers sur Mars, mais il y a des régions où l'inertie thermique du sol change, créant des vents matinaux et du soir apparentés à la brise marine terrestre^[51]. Le projet Antares Mars Small-Scale Weather (MSW) a récemment découvert quelques faiblesses dans le modèle climatique actuel dû au paramètre des sols^[52]. Ces faiblesses sont en train d'être corrigées et devraient conduire à des évaluations plus précises.

À basses latitudes, la circulation de Hadley domine et est presque le même processus qui, sur Terre, génère les alizés. À hautes latitudes, une série de régions de hautes et basses pressions, appelées ondes de pression baroclines, domine le temps. Mars est plus sèche et plus froide que la Terre, en conséquence la poussière soulevée par ces vents tend à rester dans l'atmosphère plus longtemps que sur Terre puisqu'il n'y a pas de précipitations pour la rabattre (sauf la neige de CO₂)^[53].

Une des différences majeures entre les circulations de Hadley martienne et terrestre est leur vitesse^[54].

Tempêtes cycloniques

Des tempêtes cycloniques similaires aux cyclones sur Terre ont été détectées pour la première fois par le programme de cartographie de Viking puis par plusieurs sondes et télescopes. Les images les présentent de couleur blanche à la différence des tempêtes de sable. Ces tempêtes tendent à apparaître durant l'été dans l'hémisphère nord et seulement aux hautes latitudes. Les spéculations tendent à montrer que ces tempêtes sont dues aux conditions climatiques uniques existant au pôle nord^[55].

Hubble, Cyclone polaire sur Mars.

Circulation atmosphérique

Photomontage de la planète Mars avant (à gauche) et pendant (à droite) la tempête de septembre 2001.

Hormis le courant-jet qui parcourt la mésosphère martienne, il est à noter qu'il n’existe qu’une seule cellule de Hadley sur Mars mais beaucoup plus marquée en altitude et en amplitude, joignant les deux hémisphères et qui s’inverse deux fois par an.

De même, vers la fin du printemps austral, quand Mars est au plus près du Soleil, des tempêtes de poussières locales et parfois régionales apparaissent. Exceptionnellement, ces tempêtes peuvent devenir planétaires et durer plusieurs mois comme ce fut le cas en 1971 et, dans une moindre mesure, en 2001. De minuscules grains de poussière sont alors soulevés, rendant la surface de Mars quasiment invisible. Ces tempêtes de poussière naissent en général au-dessus du Bassin d'Hellas. Les importantes différences thermiques observées entre le pôle et les régions avoisinantes provoquent des vents violents à l'origine du soulèvement de fines particules dans l'atmosphère. Lors de tempêtes globales, ce phénomène provoque d'importantes modifications climatiques : les poussières en suspension absorbent le rayonnement solaire, réchauffant ainsi l'atmosphère et réduisant dans le même temps l'insolation au sol^[58]. Ainsi, lors de la tempête de 2001, la température atmosphérique s'est élevée de 30 °C alors que la température au sol s'est abaissée de 10 °C^[59].

Changement climatique

Pôle sud pris par MGS en 1999 et 2001, NASA.

Des changements se sont produits autour du pôle sud de Mars (Planum Australe) ces dernières années. En 1999, le Mars Global Surveyor photographia des fosses dans les couches de dioxyde de carbone gelé du pôle sud martien. À cause de leur forme saisissante et de leur orientation, ces fosses sont connues comme des éléments appelés swiss cheese features (en). En 2001, le vaisseau photographia à nouveau ces fosses et remarqua qu'elles s'étaient agrandies, se retirant de 3 mètres en une année martienne^[60].

Ces caractéristiques géologiques sont causées par l'évaporation de la glace sèche exposant la couche de glace d'eau inerte.

Des observations récentes indiquent que le pôle sud martien continue de se sublimer^[61]. Ces fosses continuent de s'agrandir au même rythme de 3 mètres par année martienne. Un article de la NASA indique que ces fosses suggèrent un « changement climatique en cours »^[62] sur Mars.

Ailleurs sur la planète, les régions de basses altitudes contiennent plus de glace d'eau^[63].

Érosion

Des mesures effectuées par MAVEN ont permis d'évaluer l'érosion de l'atmosphère martienne par le vent solaire à environ 100 grammes par seconde^[66]; en cas de tempête solaire la perte peut devenir plus élevée, jusqu'à l'équivalent d'une année de pertes en une seule fois^[67].

Références

Bibliographie

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Articles connexes

• MetNet
• Mars (planète)
• Rentrée atmosphérique

Liens externes

• (en) Pression à la surface de Mars
• (en) Pression atmosphérique sur Mars
• (en) Spectre PFS pris par Mars Express (détermine les différents composants de l'atmosphère martienne)