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Lorsque la lumière du soleil atteint Mars, elle réchauffe la surface, qui émet ensuite un rayonnement infrarouge vers l’espace. Les gaz à effet de serre, principalement le CO₂, sont transparents à la lumière visible mais absorbent les infrarouges, créant ainsi une couverture qui empêche la chaleur de s'échapper. Le résultat est un réchauffement subtil qui, sur Terre, augmente les températures d'environ 33°C (93°F).
L’atmosphère de Mars est dominée par le dioxyde de carbone (plus de 95 % en volume). Le reste est principalement constitué d’azote, d’argon, d’oxygène et de traces de monoxyde de carbone. Bien que le CO₂ soit un agent de serre efficace, la rareté de l'air martien (environ 1 % de la pression atmosphérique de la Terre) signifie que l'effet de serre est extrêmement faible.
En 1971, la mission Mariner9 a observé une augmentation spectaculaire de la température lors d’une tempête de poussière à l’échelle planétaire, démontrant que la charge d’aérosols à court terme peut temporairement emprisonner la chaleur. L'astronome CarlSagan a noté que, dans de bonnes conditions, un tel réchauffement pourrait faire fondre les calottes glaciaires polaires. Les nuages de CO₂ qui se forment lorsque la planète est chauffée épaissiraient l’atmosphère, créant potentiellement une boucle de rétroaction qui augmenterait encore davantage les températures de surface. Certains chercheurs pensent que des épisodes similaires pourraient s'être produits il y a des milliards d'années, entretenant peut-être un climat plus chaud au début de l'histoire de Mars.
Compte tenu du faible effet de serre actuel, les scientifiques étudient les moyens de réchauffer artificiellement Mars. Une proposition consiste à libérer du CO₂ supplémentaire des calottes polaires pour épaissir l’atmosphère, amplifiant ainsi le réchauffement à effet de serre. La quantité exacte nécessaire est incertaine car le réservoir total de CO₂ dans les bouchons reste mal limité. Des idées alternatives incluent l'injection de puissants gaz à effet de serre tels que les perfluorocarbures (PFC), qui ont un potentiel de réchauffement climatique plus élevé que le CO₂ mais qui devraient être émis en grandes quantités.