Des poches de magnétisme dispersées à la surface de Mars ont une influence significative sur la haute atmosphère de la planète, selon les observations de Mars Express de l'ESA. Comprendre ces effets peut être crucial pour assurer des communications radio sûres entre Mars et la Terre et, finalement, entre explorateurs à la surface de la planète.

Le champ magnétique terrestre est dominé par un seul, source puissante :la dynamo au plus profond de la surface de la planète. Cependant, on ne peut pas en dire autant de Mars. Plutôt que de posséder une seule source de champ magnétique, Mars en a beaucoup.

La planète rouge a de nombreuses poches de magnétisme puissant enfermées dans sa croûte, vestiges de ses premiers jours. La Mars moderne est peut-être connue pour son manque relatif de magnétisme, mais la jeune Mars était probablement un monde différent; il faisait probablement plus chaud et plus humide, avec une atmosphère plus dense et un noyau plus chaud. Les scientifiques pensent que la jeune planète avait également un champ magnétique important, entraîné par le mouvement circulant du matériau en fusion dans son noyau (connu sous le nom de dynamo planétaire).

Ce champ mondial s'est éteint il y a longtemps - probablement lorsque le noyau s'est refroidi et s'est solidifié, geler la dynamo en place - mais la planète possède toujours des taches anormales de fort magnétisme résiduel réparties sur sa surface, connus sous le nom de « champs crustaux ».

Souvenirs magnétiques du début de Mars

Des parties de la croûte et de la roche de Mars restent magnétisées aujourd'hui en raison d'un phénomène connu sous le nom de "ferro-magnétisme", qui dure même lorsque le champ magnétique externe n'est plus présent (comme c'est le cas avec Mars).

La croûte de Mars s'est refroidie en dessous d'une température spécifique - connue sous le nom de température de Curie - lorsque la dynamo du noyau de la planète, et donc son champ magnétique, était toujours actif et présent, provoquant l'enfermement permanent du magnétisme résiduel dans les matériaux ferreux (contenant du fer) de la croûte. Des champs magnétiques crustaux similaires se trouvent également sur la Terre et la Lune.

Ces champs peuvent ensuite être éliminés en réchauffant le matériau au-dessus de la température de Curie - via des impacts importants, par exemple – puis le laisser refroidir à nouveau en l'absence de champ magnétique.

On pense que le magnétisme a été éliminé d'importantes zones de la croûte martienne de cette manière, mais de grandes parties du sud, et des parties plus petites du nord, l'hémisphère de Mars reste magnétisé dans une certaine mesure, avec des poches dispersées sur toute la planète. Ces champs crustaux sont suffisamment puissants pour entraîner des caractéristiques dans la haute atmosphère de Mars semblables aux aurores observées sur Terre – de telles caractéristiques ont été observées par Mars Express de l'ESA).

"Ils peuvent être faibles en termes de force absolue - des centaines de nanotesla dans la haute atmosphère en moyenne, ou entre 0,1 et 1 pour cent de l'intensité du champ produit par la dynamo de la Terre à l'altitude équivalente - mais les champs crustaux de Mars sont nettement plus forts que ceux trouvés sur la Terre ou la Lune, " déclare Markus Fraenz de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen, Allemagne. "Cela indique que le champ dynamo de Mars était autrefois au moins aussi fort que celui de la Terre - mais afin de produire des plaques aussi fortes de magnétisation crustale résiduelle, elle était probablement plus forte que celle de notre planète ne l'a jamais été."

Malheureusement aucun atterrisseur ou rover n'a encore atteint ces sites de forte magnétisation, mais des observations complètes d'orbiteurs à longue durée de vie tels que Mars Global Surveyor de la NASA et Mars Express de l'ESA ont aidé les scientifiques à caractériser l'environnement magnétique de Mars.

Mars Express est en orbite autour de Mars depuis 2003, et a réalisé de nombreuses études en utilisant ses instruments MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) et ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms) pour explorer l'effet de ces champs crustaux sur l'ionosphère de Mars.

"Les champs crustaux de Mars semblent contrôler fortement le plasma dans la haute atmosphère de la planète, " explique David Andrews de l'Institut suédois de physique spatiale à Uppsala. Plus précisément, ils affectent une couche de gaz faiblement ionisé appelée ionosphère, qui se trouve pris en sandwich entre la majeure partie de l'atmosphère neutre de Mars et le rayonnement intense de l'espace extra-atmosphérique (y compris le vent solaire, un flux de particules chargées – protons et électrons – émanant du Soleil).

Plasma grimpant dans l'ionosphère de Mars

L'ionosphère de Mars est assez similaire à celle de la Terre à bien des égards, telles que les densités typiques, altitudes, etc. "L'ionosphère de la Terre est un peu plus complexe en termes de structure, et a un plus grand nombre de couches distinctes, " dit Andrews. " Cela est dû en partie au fait que l'atmosphère terrestre est un mélange d'azote et d'oxygène, contrairement à l'atmosphère martienne dominée par le CO2.

Les champs crustaux de Mars affectent le mouvement et la dynamique de son plasma ionosphérique, influençant sa circulation, s'accumule, et s'enfuit dans l'espace. Par exemple, le plasma monte à des altitudes beaucoup plus élevées que prévu dans les régions avec des champs crustaux orientés verticalement, et les zones avec des champs crustaux plus forts sont surmontées de couches d'ionosphère plus denses et plus étendues que les champs plus faibles ou absents.

L'ionosphère de Mars se trouve à la frontière entre la basse atmosphère de Mars et le vent solaire, qui se déverse dans l'espace depuis le Soleil. Le vent solaire entraîne également le champ magnétique solaire dans le système solaire lorsqu'il se déplace, créant le champ magnétique interplanétaire (FMI).

Lorsqu'il est traîné dans le voisinage de Mars, Les lignes de champ IMF peuvent se connecter avec les lignes de champ émanant de certaines régions de la croûte de Mars (un processus connu sous le nom de « reconnexion magnétique »). Ce processus permet au plasma de remonter le long des lignes nouvellement créées et de s'échapper dans l'espace, créant des cavités étroites dans l'ionosphère de Mars qui manquent comparativement d'électrons.

"La grande question, cependant, est de savoir si ces champs crustaux affectent ou non la vitesse à laquelle Mars perd son atmosphère vers l'espace et si oui, comment, " dit Andrews. " Il est probable que tandis que le plasma est reconfiguré dans les régions où le champ est fort, les moyennes à long terme des fuites atmosphériques ne sont pas très différentes, mais nous n'en sommes pas sûrs."

Du jour à la nuit

Le comportement et les propriétés de l'ionosphère diffèrent entre la région la plus proche du Soleil (le « côté jour », entre Mars et le Soleil) et celui qui s'en éloigne (le "côté nuit", s'éloigne de Mars vers le système solaire externe).

Les données de Mars Express ont montré que l'ionosphère diurne est étonnamment complexe et variable, avec des densités d'électrons et des couches de plasma structurées qui changent de manière abrupte et irrégulière. Le satellite a également signalé tout ce qu'il y a à comprendre sur le côté nuit, et pourquoi certaines de ses propriétés diffèrent considérablement du jour.

Le processus d'échappement du plasma par reconnexion magnétique, par exemple, est particulièrement efficace à la frontière jour-nuit (les régions entourant cette frontière, ou terminateur, sont parfois nommés « matin » et « soir » ou « aurore » et « crépuscule »). De la même manière, l'ionosphère du côté jour est à la fois plus dense et s'étend à des altitudes plus élevées sur les anomalies crustales que du côté nuit. Le plasma semble également couler vers Mars le jour, et loin à la frontière jour-nuit.

En général, le nombre et la densité d'électrons dans l'ionosphère augmentent avec l'intensité du champ pendant la journée et à la frontière entre le jour et la nuit - mais du côté de la nuit, le contraire est vrai. L'ionosphère du côté nuit de Mars est inégale; il est reconstitué par une partie du plasma de l'ionosphère diurne, et en précipitant les électrons du vent solaire et de la magnétosphère (la région de l'espace sur laquelle domine le petit champ magnétique intrinsèque de Mars).

"Tout cela renforce l'idée que l'environnement plasma de Mars est fortement influencé à la fois par les niveaux de rayonnement solaire entrant, et la force et la répartition des champs crustaux de la planète, " déclare Eduard Dubinin de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire à Göttingen, Allemagne. "Nous devons mieux comprendre ces interactions et l'ionosphère de Mars en général pour brosser un tableau détaillé de l'évolution à long terme de Mars en termes de climat, habitabilité, perte d'eau et d'atmosphère, et plus."

Problèmes pour la radio Planète Rouge ?

En plus de former une meilleure compréhension scientifique de Mars en tant que planète, en savoir plus sur l'ionosphère martienne et les champs crustaux est vital pour les missions actuellement sur Mars, et pour celles prévues à l'avenir (y compris les missions en équipage).

Par exemple, l'ionosphère dicte comment, lorsque, et où l'équipement radar de Mars Express (MARSIS) peut fonctionner. L'ionosphère diurne de Mars est plus dense et reflète mieux les ondes radio. MARSIS peut ainsi sonder l'ionosphère de Mars côté jour, comme le plasma y réfléchit les impulsions radar entrantes aux fréquences appropriées (~MHz). Côté nuit, cependant, MARSIS effectue des sondages souterrains. Les ondes radio de l'instrument traversent l'ionosphère relativement clairsemée et peuvent aller bien plus loin avant d'être réfléchies, atteignant la surface de Mars et jusqu'à environ 10 km en dessous.

"MARSIS peut exploiter les propriétés variables de l'ionosphère, ce qui en fait un excellent instrument pour sonder à la fois l'ionosphère et le sous-sol de Mars, " dit Dmitri Titov, scientifique du projet pour Mars Express de l'ESA.

La variabilité de l'ionosphère martienne pourrait être un problème, cependant, pour toute communication à la surface de Mars.

Les atterrisseurs et les rovers sur Mars communiquent avec la Terre via un orbiteur, qui à son tour utilise des fréquences radio (GHz) suffisamment élevées pour que l'ionosphère ne soit pas un énorme obstacle. Cependant, cela peut devenir un problème plus important si et quand les humains mettront le pied sur la planète.

"Les communications radio à ondes courtes (MHz) à la surface peuvent être affectées par la variabilité de l'ionosphère de Mars, en particulier autour des champs crustaux plus forts, et notre compréhension ici est encore incomplète, " ajoute Titov. " Il est essentiel de mieux comprendre l'environnement magnétique et plasma de Mars. Des découvertes telles que celles de Mars Express sont cruciales pour notre exploration continue du système solaire, que ce soit avec des robots ou des équipages humains."