Nouvelle preuve de l'impact de la récente tempête de poussière planétaire sur l'eau dans l'atmosphère, et un manque surprenant de méthane, sont parmi les faits saillants scientifiques de la première année en orbite de l'ExoMars Trace Gas Orbiter.

Deux articles sont publiés dans la revue La nature décrivant aujourd'hui les nouveaux résultats, et rapporté dans un point de presse dédié à l'Union européenne des géosciences à Vienne.

Un troisième papier, soumis à la Actes de l'Académie des sciences de Russie , présente la carte la plus détaillée jamais produite de la glace d'eau ou des minéraux hydratés dans la sous-surface peu profonde de Mars.

L'orbiteur conjoint ESA-Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter, ou TGO, arrivé sur la planète rouge en octobre 2016, et a passé plus d'un an à utiliser la technique d'aérofreinage nécessaire pour atteindre son orbite scientifique de deux heures, 400 km au-dessus de la surface de Mars.

« Nous sommes ravis des premiers résultats du Trace Gas Orbiter, " dit Håkan Svedhem, Scientifique du projet TGO de l'ESA.

"Nos instruments fonctionnent extrêmement bien et même au cours des premiers mois d'observation, ils fournissaient déjà des données exquises à un niveau bien supérieur à celui atteint auparavant."

La mission scientifique principale de TGO a débuté fin avril 2018, quelques mois seulement avant le début de la tempête de poussière mondiale qui finirait par entraîner la disparition du rover Opportunity de la NASA après 15 ans à parcourir la surface martienne.

Vaisseau spatial en orbite, cependant, ont pu faire des observations uniques, avec TGO suivant le début et le développement de la tempête et surveillant comment l'augmentation de la poussière a affecté la vapeur d'eau dans l'atmosphère - important pour comprendre l'histoire de l'eau sur Mars au fil du temps.

Exploiter la tempête de poussière

Deux spectromètres embarqués – NOMAD et ACS – ont effectué les premières mesures d'occultation solaire à haute résolution de l'atmosphère, en regardant la façon dont la lumière du soleil est absorbée dans l'atmosphère pour révéler les empreintes chimiques de ses ingrédients.

Cela a permis la distribution verticale de la vapeur d'eau et de l'eau « semi-lourde » - avec un atome d'hydrogène remplacé par un atome de deutérium, une forme d'hydrogène avec un neutron supplémentaire - à tracer depuis près de la surface martienne jusqu'à plus de 80 km d'altitude. Les nouveaux résultats suivent l'influence de la poussière dans l'atmosphère sur l'eau, avec la fuite des atomes d'hydrogène dans l'espace.

« Dans les latitudes septentrionales, nous avons vu des caractéristiques telles que des nuages ​​​​de poussière à des altitudes d'environ 25 à 40 km qui n'existaient pas auparavant, et dans les latitudes méridionales, nous avons vu des couches de poussière se déplacer vers des altitudes plus élevées, " dit Ann Carine Vandaele, chercheur principal de l'instrument NOMAD à l'Institut royal belge d'aéronomie spatiale.

"L'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère s'est produite remarquablement rapidement, en quelques jours au début de la tempête, indiquant une réaction rapide de l'atmosphère à la tempête de poussière."

Les observations sont cohérentes avec les modèles de circulation globale. La poussière absorbe le rayonnement solaire, chauffer le gaz environnant et le faire se dilater, en redistribuant à son tour d'autres ingrédients - comme l'eau - sur une plage verticale plus large. Un contraste de température plus élevé entre les régions équatoriales et polaires est également mis en place, renforcement de la circulation atmosphérique. À la fois, grâce aux températures plus élevées, moins de nuages ​​de glace d'eau se forment - normalement, ils confineraient la vapeur d'eau à des altitudes plus basses.

Les équipes ont également fait la première observation d'eau semi-lourde simultanément avec de la vapeur d'eau, fournissant des informations clés sur les processus qui contrôlent la quantité d'atomes d'hydrogène et de deutérium s'échappant dans l'espace. Cela signifie également que le rapport deutérium-hydrogène (D/H) peut être dérivé, qui est un marqueur important pour l'évolution de l'inventaire en eau sur Mars.

"Nous voyons cette eau, deutérée ou non, est très sensible à la présence de nuages ​​de glace, l'empêchant d'atteindre les couches atmosphériques plus élevées. Pendant la tempête, l'eau a atteint des altitudes beaucoup plus élevées, " dit Ann Carine. "Cela a été théoriquement prédit par les modèles depuis longtemps mais c'est la première fois que nous avons pu l'observer."

Étant donné que le rapport D/H devrait changer avec la saison et la latitude, Les mesures régionales et saisonnières continues de TGO devraient fournir des preuves supplémentaires des processus en jeu.

L'intrigue du mystère du méthane s'épaissit

Les deux instruments complémentaires ont également commencé leurs mesures de gaz traces dans l'atmosphère martienne. Les gaz traces occupent moins d'un pour cent de l'atmosphère en volume, et nécessitent des techniques de mesure très précises pour déterminer leurs empreintes chimiques exactes dans la composition. La présence de gaz à l'état de traces est généralement mesurée en « parties par milliard en volume » (ppbv), ainsi pour l'exemple de l'inventaire de méthane de la Terre mesurant 1800 ppbv, pour chaque milliard de molécules, 1800 sont du méthane.

Le méthane est d'un intérêt particulier pour les scientifiques de Mars, car cela peut être une signature de vie, ainsi que des processus géologiques – sur Terre, par exemple, 95% du méthane dans l'atmosphère provient de processus biologiques. Parce qu'il peut être détruit par le rayonnement solaire sur des échelles de temps de plusieurs centaines d'années, toute détection de la molécule à l'heure actuelle implique qu'elle doit avoir été libérée relativement récemment - même si le méthane lui-même a été produit il y a des millions ou des milliards d'années et est resté piégé dans des réservoirs souterrains jusqu'à présent. En outre, les gaz traces sont mélangés efficacement au quotidien au plus près de la surface de la planète, avec des modèles de circulation du vent mondial dictant que le méthane serait mélangé uniformément autour de la planète en quelques mois.

Les rapports de méthane dans l'atmosphère martienne ont été intensément débattus car les détections ont été très sporadiques dans le temps et l'emplacement, et tombaient souvent à la limite des limites de détection des instruments. Mars Express de l'ESA a contribué à l'une des premières mesures depuis l'orbite en 2004, à ce moment indiquant la présence de méthane s'élevant à 10 ppbv.

Les télescopes terrestres ont également signalé des non-détections et des mesures transitoires jusqu'à environ 45 ppbv, tandis que le rover Curiosity de la NASA, explorer le cratère Gale depuis 2012, a suggéré un niveau de fond de méthane qui varie avec les saisons entre environ 0,2 et 0,7 ppbv - avec quelques pics de niveau plus élevés. Plus récemment, Mars Express a observé un pic de méthane un jour après l'une des lectures les plus élevées de Curiosity.

Les nouveaux résultats de TGO fournissent l'analyse globale la plus détaillée à ce jour, trouver une limite supérieure de 0,05 ppbv, C'est, 10 à 100 fois moins de méthane que toutes les détections signalées précédemment. La limite de détection la plus précise de 0,012 ppbv a été atteinte à 3 km d'altitude.

Comme limite supérieure, 0,05 ppbv correspond toujours à jusqu'à 500 tonnes de méthane émis sur une durée de vie prévue de 300 ans de la molécule en considérant uniquement les processus de destruction atmosphérique, mais dispersée dans toute l'atmosphère, c'est extrêmement bas.

"Nous avons du beau, des données de haute précision traçant des signaux d'eau dans la plage où l'on s'attendrait à voir du méthane, mais pourtant nous ne pouvons signaler qu'une limite supérieure modeste qui suggère une absence globale de méthane, ", déclare le chercheur principal de l'ACS, Oleg Korablev, du Space Research Institute, Académie russe des sciences, Moscou.

« Les mesures de haute précision du TGO semblent être en contradiction avec les détections précédentes ; pour réconcilier les différents ensembles de données et faire correspondre la transition rapide des panaches précédemment signalés aux niveaux de fond apparemment très faibles, nous devons trouver une méthode qui détruit efficacement le méthane près de la surface de la planète."

"Tout comme la question de la présence de méthane et d'où il pourrait provenir a suscité tant de débats, donc la question de savoir où ça va, et à quelle vitesse il peut disparaître, est tout aussi intéressant, " dit Håkan.

"Nous n'avons pas encore toutes les pièces du puzzle ou ne voyons pas encore l'image complète, mais c'est pourquoi nous sommes là avec TGO, faire une analyse détaillée de l'atmosphère avec les meilleurs instruments dont nous disposons, pour mieux comprendre à quel point cette planète est active, que ce soit géologiquement ou biologiquement. »

Meilleure carte des eaux souterraines peu profondes

Alors que le débat animé sur la nature et la présence du méthane se poursuit, une chose sûre est que l'eau existait autrefois sur Mars - et existe toujours sous forme de glace d'eau, ou sous forme de minéraux hydratés par l'eau. Et là où il y avait de l'eau, il y a peut-être eu de la vie.

Pour aider à comprendre l'emplacement et l'histoire de l'eau sur Mars, Le détecteur de neutrons FREND de TGO cartographie la distribution de l'hydrogène dans le mètre le plus élevé de la surface de la planète. Hydrogen indicates the presence of water, being one of the constituents of the water molecule; it can also indicate water absorbed into the surface, or minerals that were formed in the presence of water.

The instrument's mapping task will take about one Mars year – almost two Earth years – to produce the best statistics to generate the highest quality map. But the first maps presented based on just a few month's data already exceed the resolution of previous measurements.

"In just 131 days the instrument had already produced a map that has a higher resolution than that of the 16 years data from its predecessor onboard NASA's Mars Odyssey – and it is set to continue getting better, " says Igor Mitrofanov, principal investigator of the FREND instrument at the Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscou.

Aside from the obviously water-rich permafrost of the polar regions, the new map provides more refined details of localised 'wet' and 'dry' regions. It also highlights water-rich materials in equatorial regions that may signify the presence of water-rich permafrost in present times, or the former locations of the planet's poles in the past.

"The data is continually improving and we will eventually have what will become the reference data for mapping shallow subsurface water-rich materials on Mars, crucial for understanding the overall evolution of Mars and where all the present water is now, " adds Igor. "It is important for the science on Mars, and it is also valuable for future Mars exploration."

"We have already been enjoying beautiful images and stereo views of Mars thanks to the TGO's imaging system and now we are delighted to share the first look at data from the other instruments, " concludes Håkan.

"We have a promising future in contributing to the many fascinating aspects of Mars science, from the distribution of subsurface water, to active surface processes and to the mysteries of the martian atmosphere."