Il y a des milliards d'années, Mars aurait pu ressembler à ceci avec un océan couvrant une partie de sa surface. Crédit :NASA/GSFC
Environ tous les deux ans terrestres, quand c'est l'été sur l'hémisphère sud de Mars, une fenêtre s'ouvre :ce n'est qu'à cette saison que la vapeur d'eau peut s'élever efficacement de l'atmosphère martienne inférieure vers la haute atmosphère martienne. Là, les vents transportent le gaz rare vers le pôle nord. Alors qu'une partie de la vapeur d'eau se désintègre et s'échappe dans l'espace, le reste retombe près des pôles. Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) en Allemagne décrivent ce cycle martien inhabituel de l'eau dans un numéro actuel de la Lettres de recherche géophysique . Leurs simulations informatiques montrent comment la vapeur d'eau franchit la barrière d'air froid dans l'atmosphère moyenne de Mars et atteint les couches atmosphériques supérieures. Cela pourrait expliquer pourquoi Mars, contrairement à la Terre, a perdu la plus grande partie de son eau.
Il y a des milliards d'années, Mars était une planète riche en eau avec des rivières, et même un océan. Depuis, notre planète voisine a radicalement changé. Aujourd'hui, seules de petites quantités d'eau gelée existent dans le sol; dans l'atmosphère, la vapeur d'eau n'est présente qu'en traces. En tout, la planète peut avoir perdu au moins 80 pour cent de son eau d'origine. Dans la haute atmosphère de Mars, le rayonnement ultraviolet du soleil divise les molécules d'eau en hydrogène (H) et en radicaux hydroxyle (OH). L'hydrogène s'en échappait irrémédiablement dans l'espace. Les mesures effectuées par les sondes spatiales et les télescopes spatiaux montrent qu'aujourd'hui encore, l'eau est encore perdue de cette façon. Mais comment est-ce possible ? La couche moyenne de l'atmosphère de Mars, comme la tropopause de la Terre, devrait effectivement arrêter la montée du gaz. Après tout, cette région est généralement si froide que la vapeur d'eau se transformerait en glace. Comment la vapeur d'eau martienne atteint-elle les couches supérieures de l'air ?
Dans leurs simulations actuelles, les chercheurs russes et allemands découvrent un mécanisme jusqu'alors inconnu rappelant une sorte de pompe. Leur modèle décrit de manière exhaustive les flux dans l'ensemble de l'enveloppe gazeuse entourant Mars depuis la surface jusqu'à une altitude de 160 kilomètres. Les calculs montrent que l'atmosphère moyenne normalement glacée devient perméable à la vapeur d'eau deux fois par jour, mais seulement à un certain endroit, et à une certaine période de l'année.
Répartition verticale de la vapeur d'eau sur Mars au cours d'une année martienne, ici montré à 3 heures du matin, heure locale. Ce n'est que lorsque c'est l'été dans l'hémisphère sud que la vapeur d'eau peut atteindre les couches atmosphériques supérieures. Crédit :GPL, Shaposhnikov et al. :Pompe « à eau » saisonnière dans l'atmosphère de Mars :transport vertical vers la thermosphère
L'orbite de Mars y joue un rôle décisif. Son chemin autour du soleil, qui dure environ deux années terrestres, est beaucoup plus elliptique que celle de notre planète. Au point le plus proche du soleil (qui coïncide approximativement avec l'été de l'hémisphère sud), Mars est environ 42 millions de kilomètres plus près du soleil qu'à son point le plus éloigné. L'été dans l'hémisphère sud est donc sensiblement plus chaud que l'été dans l'hémisphère nord.
"Quand c'est l'été dans l'hémisphère sud, à certaines heures de la journée, la vapeur d'eau peut s'élever localement avec des masses d'air plus chaudes et atteindre la haute atmosphère, " dit Paul Hartogh de MPS, résumant les résultats de la nouvelle étude. Dans les couches supérieures de l'atmosphère, les flux d'air transportent le gaz le long des longitudes jusqu'au pôle nord, où il se refroidit et retombe. Cependant, une partie de la vapeur d'eau s'échappe de ce cycle :sous l'influence du rayonnement solaire, les molécules d'eau se désintègrent et l'hydrogène s'échappe dans l'espace.
Une autre particularité martienne peut fortifier ce cycle hydrologique inhabituel :d'énormes tempêtes de poussière qui s'étendent sur toute la planète et affligent Mars à plusieurs reprises à des intervalles de plusieurs années. Les dernières tempêtes de ce type ont eu lieu en 2018 et 2007 et ont été largement documentées par des sondes spatiales en orbite autour de Mars. "Les quantités de poussière qui tourbillonnent dans l'atmosphère pendant une telle tempête facilitent le transport de la vapeur d'eau dans les couches d'air élevées, " dit Alexander Medvedev de MPS.
À maintes reprises, Les stroms de poussière martiens s'étendent sur toute la planète, comme ici en juin 2018. L'image a été prise depuis le rover Curiosity de la NASA. Les tempêtes de ce type peuvent faciliter le transport de l'eau dans la haute atmosphère de Mars. Crédit :NASA
Les chercheurs ont calculé que lors de la tempête de poussière de 2007, deux fois plus de vapeur d'eau a atteint la haute atmosphère que lors d'un été sans tempête dans l'hémisphère sud. Étant donné que les particules de poussière absorbent la lumière du soleil et se réchauffent, les températures dans toute l'atmosphère augmentent jusqu'à 30 degrés. "Notre modèle montre avec une précision sans précédent comment la poussière dans l'atmosphère affecte les processus microphysiques impliqués dans la transformation de la glace en vapeur d'eau, " explique Dmitry Shaposhnikov de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, premier auteur de la nouvelle étude.
"Apparemment, l'atmosphère martienne est plus perméable à la vapeur d'eau que celle de la Terre, " conclut Hartogh. " Le nouveau cycle saisonnier de l'eau qui a été découvert contribue massivement à la perte continue d'eau de Mars. "
