Un changement climatique radical

Mars est aujourd'hui une planète désertique, froide (température moyenne de −53 °C oscillant entre −128 °C aux pôles durant la nuit polaire et +27 °C à l'équateur, à midi lorsque la planète se trouve au plus près du Soleil). Son atmosphère très ténue (pression atmosphérique en surface de 30 millibars, soit 170 fois plus faible que sur Terre) est composée essentiellement de dioxyde de carbone (95,3 %) et contient une proportion anormalement faible de vapeur d'eau. Dans les conditions actuelles, l'eau ne peut pas exister à l'état liquide mais seulement sous forme de glace (qui peut se sublimer) ou de vapeur d'eau. Les indices géologiques recueillis par les engins spatiaux lancés vers Mars montrent que la planète a connu par le passé des conditions complètement différentes. La caméra à haute résolution HiRISE de l'orbiteur MRO a permis d'identifier des réseaux de vallées fluviales, des bassins lacustres et des formations glaciaires. Les rovers MER et Curiosity ont découvert des traces fossilisées d'anciens cours d'eau et des argiles qui ne peuvent se former que lorsque l'eau liquide subsiste sur de longues durées en surface^[1].

Lorsque le système solaire s'est formé il y a 4,5 milliards d'années, les planètes telluriques telles que Mercure, la Terre, Vénus et Mars se sont constituées autour d'un noyau constitué de métal fondu. Les mouvements de ce noyau liquide ont généré un champ magnétique qui protégeait la surface des planètes de l'action du vent solaire en repoussant ce flot d'ions et d'électrons énergétiques émis par le Soleil. Durant plusieurs centaines de millions d'années, Mars a disposé d'une atmosphère épaisse, humide et chaude, à l'abri de son champ magnétique. Le cœur chaud a permis le développement d'une activité volcanique alimentant l'atmosphère en gaz. Mais en quelques centaines de millions d'années, ces conditions ont radicalement changé. Le cœur métallique de Mars s'est refroidi et le champ magnétique a progressivement disparu, en laissant l'atmosphère martienne sans protection contre le vent solaire. L'eau présente à la surface de Mars a gelé en s'enfouissant dans le sol de Mars, ou s'est évaporée dans l'atmosphère. Les analyses effectuées à l'aide des instruments des sondes spatiales martiennes suggèrent que la majeure partie de l'atmosphère de Mars a disparu il y a environ quatre milliards d'années. Le rayonnement ultraviolet, qui n'était plus filtré par l'atmosphère, a stérilisé son sol. Des mesures effectuées par les sondes spatiales montrent que l'atmosphère continue à s'échapper, à un rythme plus lent, depuis cette époque. Mars Express et Phobos ont ainsi mis en évidence que des ions énergétiques des couches supérieures de l'atmosphère martienne (ionosphère) s'échappaient de manière continue dans l'espace^[2],[3].

Selon les scientifiques, l'atmosphère disparue pourrait se trouver dans deux endroits : soit elle a été enfouie dans le sol par le biais de processus géologiques, soit elle s'est échappée dans l'espace interplanétaire. Les rovers martiens ont découvert des minéraux carbonés (formés de dioxyde de carbone), mais pas suffisamment pour accréditer la thèse d'un enfouissement de l'atmosphère dans le sol. L'hypothèse de l'échappement vers l'espace interplanétaire est, par contre, confirmée par la mesure des isotopes de l'argon présents dans les gaz de l’atmosphère de Mars. Les éléments chimiques, comme l'argon, existent avec différentes masses (définissant des isotopes différents), et le ratio entre ces différents isotopes est identique à l'échelle du système solaire au moment de sa formation. S'il y a échappement atmosphérique, les isotopes les plus légers sont plus susceptibles d'être affectés, ce que reflétera alors le ratio entre isotopes^[4],[3],[5].

Les mécanismes de l'échappement atmosphérique

Les différents processus contribuant à l'échappement de l'atmosphère martienne.

Les données à disposition ont permis d'identifier plusieurs mécanismes qui ont pu conduire à l'échappement de l'atmosphère martienne dans l'espace interplanétaire. Le rayonnement ultraviolet et le vent solaire transforment les atomes et les molécules de la haute atmosphère martienne, à l'origine électriquement neutres, en particules chargées (ions). Le champ électrique généré par le vent solaire peut alors agir sur celles-ci et les chasser dans l'espace. Le vent solaire peut également réchauffer les molécules de la haute atmosphère, qui échappent alors à la gravité martienne. Mais des éruptions volcaniques ont eu lieu par la suite, et auraient dû reconstituer l'atmosphère. La disparition de celle-ci résulte peut-être de la combinaison de plusieurs de ces mécanismes^[3]. Les mécanismes d'échappement à l’œuvre peuvent être regroupés dans deux catégories : échappement thermique et échappement non thermique.

Instrumentation scientifique

La sonde emporte huit instruments scientifiques dont trois (IUVS, STATIC et NGIMS) sont placés sur une plateforme orientable avec deux degrés de liberté, déployée après l'insertion en orbite autour de Mars. Ces instruments sont développés par le Centre spatial Goddard de la NASA, le Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) de l'université du Colorado à Boulder, le Space Sciences Laboratory (SSL) de l'Université Berkeley en Californie et l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) de Toulouse^[15],[6] :

• le spectromètre de masse NGIMS (Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer) développé par Goddard est un instrument qui doit permettre d'étudier les gaz neutres et les ions. Cet instrument a pour objectif de déterminer la composition de la haute atmosphère^{[N 2]} et de l'ionosphère de l'homopause (limite inférieure de la région de l'atmosphère dominée par le processus de diffusion moléculaire) jusqu'à l'exobase (limite supérieure). Il doit déterminer les ratios des différents isotopes ainsi que les variations de la composition. L'instrument peut mesurer les atomes et molécules d'une masse comprise entre 2 et 150 Daltons^[16] ;
• le spectromètre imageur ultraviolet IUVS (Imaging Ultraviolet Spectrometer) est développé par le LASP. Il fournit des profils verticaux des ions et atomes neutres par mesure du limbe et les propriétés de la basse atmosphère par occultations stellaires. Il est également utilisé pour réaliser des cartes du disque atmosphérique depuis son apoapside, pour cartographier le rapport deutérium/hydrogène et l'oxygène chaud, ainsi que les caractéristiques de l'atmosphère sous homopause. L'observation se fait sur la bande 110-340 nm avec une résolution spectrale de 0,5 nm. La résolution verticale est de 6 km pour le limbe. La résolution horizontale est de 200 km lors des observations faites au nadir. Les détecteurs permettent de produire une image bidimensionnelle^[17].

Les six instruments suivants forment l'Instrumental Particle and Field Package (PFP), destinés à étudier le plasma :

• le magnétomètre MAG développé par le centre spatial Goddard mesure le champ magnétique complexe créé par les anomalies magnétiques de la croute martienne afin d'évaluer leur rôle dans l'échappement de l'atmosphère martienne actuelle et passée. MAG comporte deux capteurs complètement indépendants et redondants situés en bout d'aile solaire capables de mesurer l'intensité et la direction d'un champ magnétique compris entre 3 et 3 000 nT avec une précision d'1 %. La résolution temporelle est de 20 secondes^[18],[19] ;
• l'analyseur d'électrons du vent solaire SWEA (Solar Wind Electron Analyzer) dont le développement est assuré essentiellement par le laboratoire français Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP, ex-CESR). L'instrument mesure l'énergie et la distribution angulaire des électrons de 5 eV à 15 eV dans l'environnement martien, détermine le taux d'ionisation d'impact, la topologie magnétique, le spectre des photo-électrons primaires de l'ionosphère, la population des électrons auroraux. Sa résolution angulaire est de 22,5° en azimut et d'au moins 14° en élévation. La résolution spectrale est de 18 % et atteint 9 % en dessous de 50 eV^[20],[21] ;
• le SWIA (Solar Wind Ion Analyzer) développé par le SSL est un analyseur d'ions du vent solaire^[22],[23] ;
• le SEP (Solar Energetic Particles) développé par le SSL est un instrument de mesure des particules énergétiques (protons, ions) issus du vent solaire ou de l'espace interplanétaire dont l'énergie est comprise entre 10 keV et 1 000 MeV. Les tempêtes solaires sont la principale origine de ces particules. Celles-ci contribuent par différents mécanismes - échauffement, ionisation, excitation électronique… - à l'échappement atmosphérique. SEP doit mesurer les flux de particules qui pénètrent jusqu'aux altitudes où les processus d'échappement atmosphériques sont les plus importants (entre 50 et 150 km). L'instrument mesure le spectre énergétique et la distribution angulaire des électrons ayant une énergie comprise entre 25 keV et 1 MeV et les ions ayant une énergie comprise entre 25 keV et 12 MeV^[24] ;
• l'instrument STATIC (SupraThermal And Thermal Ion Composition) développé par le SSL analyse la composition des ions thermiques et suprathermiques^[25],[26] ;
• l'instrument LPW (Langmuir Probe and Waves antenna) développé par le LASP regroupe une sonde de Langmuir et des antennes de mesure des ondes de plasma^{[27],[28],[29]}.

• 
  Instrument SWEA.
• 
  Instrument SEP.
• 
  Instrument STATIC.
• 
  Spectrographe IUVS.
• 
  Sonde de Langmuir et antenne de mesure des ondes.

La sonde emporte le package de télécommunications Electra permettant de communiquer en bande UHF avec les rovers et atterrisseurs martiens et d'assurer ainsi le relais avec la Terre.

Sélection de la mission (2008)

La sonde spatiale est fixée au sommet de son lanceur Atlas V.

En août 2006, la NASA lance un appel à candidatures dans le cadre de son programme Mars Scout^{[N 3]} pour une mission dotée d'un budget de 485 millions $ destinée à étudier l'atmosphère de la planète Mars. La proposition du Laboratory for Atmospheric and Space Physics de l'Université du Colorado à Boulder est retenue par l'agence spatiale le 15 septembre 2008 parmi 20 autres propositions de mission. La mission scientifique est placée sous la responsabilité de Bruce Jakosky (en) (Principal Investigator ou PI) de l'Université du Colorado. Le projet est suivi par le Centre spatial Goddard de la NASA et la fabrication de la sonde spatiale (hors instrumentation scientifique) est confiée à l'établissement de Lockheed Martin situé à Littleton dans l'état du Colorado^[30].

Construction de la sonde spatiale

Lancement de MAVEN.

Manœuvre d'insertion en orbite autour de Mars (septembre 2014).A : trajectoire de la sonde en provenance de la Terre, B : la sonde spatiale utilise sa propulsion pour s'insérer en orbite autour de Mars en passant à 380 km au-dessus du pôle Nord de la planète, C : le freinage dure 33 minutes (segment rouge) et consomme la moitié du carburant embarqué, D : l'orbite initiale a une période de 35 heures. Dans les jours suivants, la sonde spatiale utilise à plusieurs reprises sa propulsion pour réduire sa période à quatre heures et demie.

Le 5 octobre 2010, une revue du projet effectuée par la NASA et le constructeur de la sonde spatiale permet de vérifier que le projet se déroule conformément au planning et au cahier des charges^[31]. L'assemblage de MAVEN s'achève début 2013 et la sonde débute à Denver la batterie de tests destinés à vérifier son comportement durant le lancement et dans l'espace : tests thermiques, de vibration, de compatibilité électromagnétique et magnétique, etc.^[32]. Le coût de la mission avec son lanceur est estimé à cette date à 671 millions US$ c'est-à-dire un montant conforme au budget prévu initialement^[33].

Préparatifs du lancement

La sonde spatiale doit être absolument prête pour la fenêtre de lancement vers Mars qui débute le 18 novembre et qui s'étend sur 20 jours. Le 2 août, le constructeur livre la sonde spatiale au centre spatial Kennedy où les techniciens effectuent une dernière batterie de tests, font le plein d'ergols et assemblent la sonde avec le lanceur Atlas V^[34]. Un conflit politique entre les partis républicain et démocrate entraîne le 1^er octobre un arrêt des activités des institutions fédérales et en particulier des travaux en cours au centre spatial Kennedy. Le lancement de MAVEN qui doit absolument avoir lieu avant le 7 décembre sous peine d'être reporté de deux ans est alors menacé. Le 3 octobre, la NASA décide de reprendre les travaux car le report du lancement pourrait compromettre les missions des rovers martiens Curiosity et Opportunity tributaires, pour leurs communications, de satellites vieillissants que MAVEN doit remplacer^[35].

Lancement et transit vers Mars (novembre 2013-septembre 2014)

MAVEN doit être lancée durant une fenêtre de lancement qui s'ouvre le 18 novembre 2013 et se referme le 7 décembre 2013. Le lanceur sélectionné est une fusée Atlas 5 401, version dépourvue de propulseurs d'appoint. La sonde MAVEN est mise en orbite le 18 novembre 2013 à 18 h 28 GMT depuis la base de lancement de Cap Canaveral^[36]. Après un transit entre la Terre et Mars de 10 mois, la sonde spatiale, à l'approche de cette dernière, réduit sa vitesse d'environ 1 233 m/s et s'insère en orbite le 21 septembre 2014. L'orbite atteinte est conforme à l'objectif (périapside = 380 km, apoapside = 44 000 km) et la consommation de carburant (1145 l.) n'est que légèrement supérieure (44 l.) à ce qui était prévu^[37].

Injection sur l'orbite finale et étalonnage des instruments (septembre-novembre 2014)

MAVEN en orbite autour de Mars avec ses instruments déployés.

La sonde spatiale effectue sept manœuvres consécutives au cours des jours suivants, dont quatre pour réduire le périapside et trois pour réduire l'apoapside. Le 24 septembre la première correction d'orbite consiste à réduire le périapside de 380 à 204 km (delta-V 8 m/s). Le 26 septembre a lieu la principale correction d'orbite, qui ramène l'apoapside 44 000 km à 8 000 km, soit une réduction de vitesse de 455 m/s^[38]. A partir du 10 octobre, différentes antennes et capteurs utilisés par 6 des instruments de la sonde spatiale sont déployés, en mettant à feu des dispositifs pyrotechniques : parmi les équipements déployés figurent deux longues antennes de 7 mètres de long utilisées par l'instrument de mesures des champs électriques et des électrons, ainsi que la plateforme orientable accueillant les instruments IUVS, STATIC et NGIMS. La phase d'étalonnage des instruments débute^[39].

L'équipe projet décide de modifier légèrement l'orbite cible pour tenir compte de la densité de l'atmosphère observée, qui est le principal paramètre pris en compte pour la mission. Le périapside choisi est de 175 kilomètres (au lieu de 150 km) tandis que l'apoapside est fixé à 6 000 km, avec une inclinaison orbitale de 74,2°. L'orbite finale est atteinte courant novembre. L'étalonnage des instruments est encore en cours la veille du passage de la comète Siding Spring, qui passe à faible distance de Mars (139 500 kilomètres). Les instruments de MAVEN effectuent des observations de l'atmosphère de la planète immédiatement après son passage, avant de pointer le spectrographe imageur IUVS vers la comète pour analyser ses émissions dans le spectre ultraviolet, et en déduire des données sur sa composition, puis analyse la réaction de l'atmosphère de Mars lorsque plusieurs tonnes de poussière issue de la queue de la comète pénètrent dans celle-ci. Les données collectées par les instruments de MAVEN et des autres vaisseaux en orbite autour de Mars montrent que de nombreux atomes de métaux, sous forme ionisée ou atomique, ont été injectés dans l'atmosphère, mais que ceux-ci ont rapidement disparu à la suite de processus physiques et chimiques indéterminés. Le 6 novembre MAVEN joue pour la première fois le rôle de relais en survolant le rover Curiosity à une altitude comprise entre 1 100 et 3 700 kilomètres, et en récupérant, grâce à son récepteur UHF Electra, 500 megabits de données au cours de la passe, qui sont transférés par la suite vers la Terre. La sonde spatiale entame sa mission primaire mi novembre, après l'achèvement de la phase d'étalonnage des instruments^[40].

Mission primaire (novembre 2014- novembre 2015)

Durant la majeure partie de sa mission, la sonde spatiale est orientée de manière que ses panneaux solaires soient pointés vers le Soleil sous un angle optimal^[12],[6]. Une aurore boréale est observée durant cinq jours, juste avant le 25 décembre. Elle pénètre à une profondeur inattendue dans l'atmosphère. Sa survenue coïncide avec une poussée de l'activité solaire^[41].

MAVEN commence sa première campagne de plongée dans l'atmosphère martienne le 10 février 2015. Celle-ci débute par un abaissement du périapside de 175 à 131 km, qui est obtenu par une manœuvre effectuée au périapside, en modifiant la vitesse de quelques mètres par seconde. La campagne dure 5 jours, au cours desquelles la sonde spatiale exécute 20 orbites et effectue donc 20 passages dans une partie plus dense de la haute atmosphère. La densité, qui est en temps normal de 0,05 kg/m³, monte jusqu'à 2-3,5 kg/m³ durant les 10 minutes que dure chaque passage. Durant ces passages à basse altitude, la sonde spatiale adopte une configuration particulière. Durant toute la campagne, une liaison radio permanente est maintenue grâce à la mobilisation du réseau d'antennes DSN. A l'issue de la campagne, deux manœuvres sont effectuées pour rétablir le périapside à 150 kilomètres^[42].

Au cours des mois suivants, les données fournies par la sonde de Langmuir permettent de découvrir un nuage de poussière persistant stagnant à très haute altitude (entre 150 et 300 km), qui a été éjecté de l'atmosphère par un processus mystérieux. La deuxième campagne de plongée dans l'atmosphère martienne débute le 18 avril, et cette fois le périapside est abaissé jusqu'à 131,5 km. Pour disposer d'un bon éventail de mesures, cette campagne d'observation, comme les suivantes, se déroule au-dessus d'une région différente et à des heures de la journée différentes. Au cours des manœuvres de changement d'orbite en début et en fin de campagne, le delta-V total est de 12,4 m/s. Le périapside de MAVEN est ramené à l'issue de la campagne à une altitude de 168 km. Durant trois semaines au milieu de juin, Mars passe derrière le Soleil (vu de la Terre) et les communications sont interrompues ou perturbées. Durant cette période, les expériences scientifiques sont arrêtées et la sonde spatiale est placée dans une configuration sécurisée^[41]. Début novembre, la mission primaire s'achève et quatre des cinq campagnes de plongée dans l'atmosphère ont été effectuées. Les résultats obtenus ont permis de mesurer le volume de gaz arraché par le vent solaire et de confirmer le rôle sans doute majeur joué par ce processus dans la disparition de l'atmosphère primitive de la planète Mars^[43].

Extension de mission

Début novembre MAVEN entame sa première extension de mission. La sonde spatiale dispose de suffisamment de carburant pour permettre de mener des investigations scientifiques durant neuf autres années. L'objectif est de maintenir sur cette orbite à l'orbite basse (qui nécessite du carburant car elle impose de relever régulièrement le périapside) durant au moins 29 mois, puis en circulant sur une orbite plus haute pour limiter la consommation d'ergol. Des plongées dans l'atmosphère pourront être réalisées durant cette période, au détriment de la longévité de la sonde. Durant l'extension de mission, MAVEN pourra servir temporairement de relais de télécommunications entre les rovers et les atterrisseurs martiens d'une part et la Terre d'autre part. L'arbitrage entre les activités de télécommunications et les tâches scientifiques dépendra de l'état de santé des autres satellites jouant le même rôle (MRO et Mars Odyssey)^[44],[43].

En décembre 2015 MAVEN passe à plusieurs reprises à faible distance (moins de 300 km) de la lune de Mars, Phobos, ce qui lui permet d'effectuer des mesures de la composition de sa surface fournissant des indices supplémentaires sur son origine. Mais le 6 mars 2017 MAVEN se trouve sur une trajectoire de quasi collision avec la lune. Les contrôleurs au sol décident de modifier légèrement la trajectoire de MAVEN pour l'éviter et réduire le risque, en modifiant la vitesse de la sonde spatiale de 0,6 m/s^[45].

Notes

Références

Sources

• (en) Bruce Jakosky, Joseph Grebowsky et David Mitchell, The 2013 Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Mission : Presentation to the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG), NASA, 28 février 2012, 63 p. (lire en ligne)
  Document présentant la mission dans le cadre du congres scientifique MEPAG (fev 2012)
• (en) NASA, Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Press kit : Exploring mars' climate history, NASA, novembre 2013, 40 p. (lire en ligne)
  Document officiel de la NASA de présentation de la mission rédigé pour le lancement
• Jean-Yves Chauffray, Étude de l’exosphère de Mars et de l’échappement de l’eau : Modélisation et analyse des données UV de SPIcam (thèse), Université Pierre et Marie Curie Paris VI, 24 septembre 2007, 254 p. (lire en ligne)
• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, 2014, 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2)

Articles connexes

• Atmosphère de Mars
• Mars Trace Gas Mission : Mission européenne du programme ExoMars qui doit remplir des objectifs proches (lancement 2016)
• Programme Mars Scout

Liens externes

• (en) MAVEN sur le site de l'université de Colorado responsable de la partie scientifique
• (en) MAVEN sur le site de la NASA
• La mission MAVEN sur le site des missions scientifiques du CNES
• (en)Documents du dernier atelier (décembre 2012) présentant la mission à la communauté scientifique.