A la recherche de l’eau sur Mars, François Costard jeudi 14 janvier 2010, Laboratoire Interactions et Dynamique des Environnements de Surface.

Jeudi 14 Janvier 2010, le jeudi de la recherche a eu lieu sur le plateau enneigé de la Faculté d’Orsay au Laboratoire Interactions et Dynamique des Environnements de Surface. Entourés de photos du sol martien en 2 et 3D, les participants, accueillis par François Costard, ont été transportés sur la Planète Mars pour un voyage dans le temps et l’espace !

Au sein de son laboratoire, François Costard et près de 80 personnes travaillent dans le but de comprendre les processus et l’évolution géologique de la planète Mars. Selon une approche originale de comparaison entre la Terre et Mars, le travail implique la collaboration de spécialistes de géologie, géomorphologie, biochimie, hydrologie, minéralogie, sédimentologie, thermodynamique, modélisation. Cette recherche pluridisciplinaire de l’équipe « Géomorphologie planétaire et interactions subsurface-atmosphère » tourne autour de trois thématiques principales. Les chercheurs étudient les processus d’érosion qui ont lieu sur Terre et sur Mars sur le terrain pour la première planète et à travers des expériences au laboratoire pour la deuxième. Ces scientifiques s’intéressent également à la caractérisation de la géomorphologie de Mars et aux environnements primitifs martiens et ses analogues terrestres. Un nouvel axe, inédit dans le monde de la recherche, se développe actuellement au sein du laboratoire : l’étude des environnements froids, terrestres et planétaires.

Mars vue par la sonde européenne Rosetta
© ESA

À quoi ressemble la planète Mars ?

Petite entrée en matière : grâce à Antoine Séjourné, étudiant en thèse dans l’équipe de François Costard, le public peut observer, à travers des « lunettes 3D » de photographies de la surface de Mars affichées aux murs. Le sol martien révèle ainsi un dégradé de couleurs entre l’orange et le rouge, le ciel est saumoné et le Soleil bleu ! Comment expliquer ces couleurs si différentes de celles que nous observons sur notre planète ?

Première image en couleur prise par l’atterriseur Viking 1.
© NASA

Sur Terre, une grande partie de la lumière bleue émise par le Soleil est diffusée par l’atmosphère dans toutes les directions, le rouge ne l’étant presque pas, d’où la couleur caractéristique du ciel. Sur Mars, l’atmosphère est plus ténue et par conséquent, la diffusion de la lumière solaire est beaucoup moins importante. Le ciel martien devrait donc être d’un bleu profond comme le ciel terrestre en haute montagne. Par contre, le sol martien, de couleur rouille à cause de l’oxydation des minéraux qui le composent, est très poussiéreux (« il ne faut pas être maniaque de la propreté en Mars ! », nous dit François Costard). Les aérosols présents en quantités considérables absorberaient préférentiellement le bleu, laissant régner la lumière rouge, moins diffusée par l’atmosphère.

Le paysage monotone est coupé par des montagnes, des volcans, des dunes. Ces dunes ne bougent pas comme dans nos déserts terriens car la pression atmosphérique martienne est insuffisante (6 mbar alors que la pression atmosphérique sur Terre est d’environ 1 bar) pour que les vents déplacent les grains de sables formant les dunes.

Mars est une planète volcanique comme la Terre, mais les volcans martiens sont très différents. Ils ont souvent des pentes faibles comme les volcans terrestres dits boucliers, de l’ordre de 5°, mais des dimensions faramineuses avec des hauteurs pouvant atteindre 25 km et des diamètres de 400 km (en comparaison, un des volcans boucliers des îles Hawaï, Mauna Loa, le plus grand et plus volumineux volcan du monde, mesure 4200 mètres d’hauteur et 250 km de diamètre). La différence des formes des volcans reflète des conditions différentes de formations : pas de tectonique des plaques sur Mars, la planète est « monoplaque » ! Après 500 millions d’années, l’activité sismique s’est complètement éteinte. Il n’y avait en effet plus assez d’énergie pour les mouvements de convection des couches internes de la planète. Les volcans boucliers se seraient formés à cause d’un point chaud et en l’absence de mouvements de plaques, il y aurait eu l’accumulation à l’origine des dimensions gigantesques.

Mars est très froide avec une moyenne de -55°C ! (-80°C aux pôles). Les températures varient énormément même en fonction de l’heure : en été on peut détecter au même endroit 20°C le jour et des températures inférieures à 0°C la nuit.

La planète rouge, de la taille de la Lune, deux fois plus petite que la Terre, présente beaucoup de caractéristiques en commun avec notre planète au niveau dynamique. Son ancienne activité, reflétée notamment par le volcanisme, est surprenante pour une planète aux dimensions d’un satellite !

Comment pratiquer la géologie à distance ?

Comment ces chercheurs en savent-ils autant sur Mars ? Le travail d’un géologue sur Terre consiste primordialement en missions sur le terrain. Comment faire lorsque l’objet de l’étude, ici la planète Mars, ne peut être approché par le chercheur ? Les missions vers Mars ne sont pas pour demain…

Pourtant, des nouvelles informations de Mars, François Costard et ses collègues en reçoivent presque tous les jours ! Et, ils en constituent une banque de données accessible à tous grâce à la photothèque planétaire d’Orsay où les nouvelles de l’espace sont constamment actualisées.

Mais comment obtiennent-ils des informations sur la planète rouge ? Grâce à des sondes spatiales qui tournent constamment autour de la planète et aux « rovers », des véhicules robotisés circulant à la surface de Mars. Grâce aux sondes comme Mars reconnaissance orbiter de la NASA et l’européenne Mars Express, la surface martienne ainsi que les processus qui y ont lieu peuvent être observés en détails. Cependant, depuis l’orbite, ce ne sont que les premiers millimètres du sol qui peuvent être étudiés, et sur Mars, c’est de la poussière ! Pour aller plus loin dans l’exploration des constituants du sol de Mars, les rovers font sur place le travail du géologue grâce à leurs bras robotisés. Ils prélèvent des échantillons, les analysent avec différents instruments puis envoient les résultats à la NASA et aux autres agences spatiales. Ils sont également capables de prendre des photos et la combinaison fournit des images des paysages en 3D. Les informations recueillies par la NASA appartiennent au domaine public et sont librement accessibles sur leur site. Les scientifiques du monde entier découvrent donc des photos de Mars presque en temps réel, de même que le public ! Les rovers fonctionnent grâce à des panneaux solaires et ont donc été envoyés au niveau de l’équateur où l’énergie solaire est maximale. Les deux derniers rovers (Spirit et Opportunity) envoyés sur Mars avaient une durée de vie estimée à 3 mois mais voilà 5 ans déjà qu’ils explorent la surface de Mars ! Les robots ont un module pour freiner leur descente lorsqu’ils atteignent l’atmosphère martienne et une fois près du sol, 4-5 ballons se gonflent et l’atterrissage, ou plutôt l’amarsissage, a lieu en rebondissant. Le robot est descendu grâce à une plateforme avec un radar qui est ensuite enlevée. Les atterrissages des robots peuvent être filmés par les sondes spatiales (pour voir un rover atterrir).

La première chose qu’un robot fait une fois sur place est de prendre une photo du paysage, comme un touriste. Puis, il analyse la composition des roches avec un mini spectromètre de masse. En effet, doté de 8 fours, le robot chauffe les échantillons à 1000°C et analyse ensuite la composition des gaz qui s’en échappent. Les chercheurs connaissent ainsi la composition minéralogique précise de la surface de Mars.

Si l’imagerie précise de Mars existe depuis les années 70 grâce aux sondes (des images globales avaient été prises par des astronomes dès le XVIIIème siècle !), ce n’est que plus récemment que les images sont en couleurs. Comme les chercheurs n’ont jamais vu la surface de Mars de leurs propres yeux, ils doivent regarder les photos reçues quotidiennement avec une certaine méfiance. Et, de manière générale, ils doivent s’assurer que les mesures sont fiables. Ils connaissent les conditions dans lesquelles les analyses sont faites, les conditions d’éclairage pour les photos, les distorsions générées par la caméra,… Néanmoins, les missions vers Mars, nombreuses depuis quelques décennies, emportent des instruments complémentaires et de plus en plus sophistiqués.

Une fois les informations sur Mars réunies, les chercheurs font une étude comparative avec les environnements terrestres semblables, c’est-à-dire là où les températures sont très basses. François Costard et ses collègues vont deux fois par an en Sibérie pour étudier les pergélisols (sous-sols gelés) entre autres.

La planète Mars n’est pas comparée qu’à la Terre mais à la Lune aussi. En effet, pour faire la datation absolue (c’est-à-dire en nombre d’années) des échantillons sur Mars, il faudrait un spectromètre de masse précis mais malheureusement pour les géochimistes, on ne sait pas encore les miniaturiser pour les embarquer dans les robots. La solution est une approche comparative avec la Lune, satellite terrestre d’à peu près la même taille que Mars et aussi cratérisée. L’idée consiste en compter les cratères sur Mars et considérer que plus la surface est cratérisée, plus elle est ancienne. Grâce au spectromètre de masse miniaturisé, une chronologie relative peut être faite entre différentes surfaces martiennes. Et, étant donné que la datation absolue des échantillons lunaires est connue, il suffit de comparer le résultat obtenu pour Mars à la courbe de cratérisation de la Lune. Bien entendu, cette approche présente des limites car la Lune et Mars ne se trouvent pas au même endroit dans l’espace et par conséquent, le nombre de corps errants, et donc les impacts à l’origine des cratères, est forcément différent.

En recoupant les données cueillies par les sondes et les robots avec les connaissances des régions froides terrestres, les chercheurs peuvent émettre des hypothèses sur la géologie de Mars. Mais encore faut-il les vérifier par le biais de modélisations numériques, puis les valider par des expériences au laboratoire recréant au plus près les conditions martiennes. Mars étant une planète très froide, les expériences au laboratoire sont réalisées dans … une chambre froide ! Un maximum de paramètres variés est ajusté mais la pression ne peut pas être contrôlée et réduire la gravité est infaisable. Néanmoins, les chercheurs simulent une faible pesanteur en plaçant les dispositifs à étudier en pente après avoir considéré la différence de gravité entre la Terre et Mars et cela marche très bien !

De l’eau sur Mars : une histoire ancienne

Depuis le XVIIIème siècle, les astronomes voient des calottes de glace sur la planète Mars et en particulier au niveau des pôles. Actuellement, la sonde Phoenix, destinée à la recherche de l’eau sur Mars, se trouve en haute altitude au niveau du pôle Nord. Les sondes sont les seuls moyens aujourd’hui d’avoir accès aux pôles martiens étant donné que les rovers fonctionnent à l’énergie solaire et ne peuvent donc pas être envoyés aux pôles de la planète Mars.

Les failles de Sacra Fossae témoignent de la puissance des écoulements d’eau passés
@ NASA

Grâce aux sondes spatiales, les chercheurs connaissent précisément la surface martienne et en particulier sa topographie (reliefs) à haute résolution. Les reliefs datant d’environ 50 millions d’années sont caractéristiques d’environnements froids avec de la glace, des traces d’écoulement de ruissellements, d’affluents. La sublimation de la glace (transformation du solide en vapeur d’eau) peut être observée et ce paysage très volcanique avec du sulfate, des précipités de NaCl (sel) et des minéraux hydratés comme l’argile indique fortement qu’il y a eu de l’eau sur Mars. La planète rouge a donc dû être chaude et humide avec une atmosphère dense de CO2 et un cycle de l’eau. Et, des chercheurs pensent même qu’il y aurait eu un océan sur cette planète ! Voilà un débat qui existe depuis 1800 et qui reste toujours d’actualité.

Deux images prises par la sonde MRO le 18-10-2008 et le 14-01-2009 montrant la sublimation de la glace dans un petit cratère.
© NASA

En résumé : au début de son histoire, Mars était une planète chaude et humide et maintenant elle est froide et sèche. Comment l’expliquer ? L’hypothèse principale porte sur la trop faible gravité, combinée au bombardement constant de flux de particules solaires (lié à l’arrêt du champ magnétique), qui n’aurait pas permis à Mars de garder son atmosphère. Sans atmosphère, il n’y a pas d’effet de serre et la température chute. De plus, la distance par rapport au Soleil est trop importante pour que cette étoile puisse chauffer le sol martien. Les chercheurs se demandent alors si les sous-sols martiens contiennent de l’eau gelée, puisque les températures sont négatives. Grâce à un spectromètre gamma, une analyse chimique élémentaire a pu être réalisée afin de déterminer la concentration en hydrogène, ce qui reflète la teneur en H2O. Sur Mars, l’étude à partir de l’éjection de la poussière qui recouvre le sol a permis de montrer que la concentration d’hydrogène en altitude est forte. Or, les lieux en hauteurs correspondent à ceux où la température est toujours inférieure à 0°C. C’est donc bien cohérent avec la présence d’eau sous forme solide ! Par ailleurs, des échos radars sont utilisés pour confirmer la présence de glace mais ils n’en détectent pas… Ceci pourrait refléter un manque de puissance de ces radars pour le détecter (ils sont en orbite autour de Mars alors qu’en Sibérie, ils reposent directement sur le sol). Néanmoins, des rovers ont pu creuser des tranchées de quelques cm de profondeur et ils y ont trouvé de la glace !

De l’eau sur Mars : une histoire pas si simple…

On pensait donc Mars « figée » depuis des milliards d’années. Or, au début du XXIème siècle, les chercheurs ont découvert un épisode « très récent » d’écoulement, datant de 10 millions d’années. Cet écoulement aurait eu 80 fois le débit du Mississipi ! Pourtant la pression atmosphérique est trop faible pour que l’eau existe sous forme liquide ! D’où viendrait toute cette eau ? On sait qu’il ne s’agit d’écoulements de lave car les traces ne sont pas sombres.

En amont des traces de l’écoulement, les scientifiques ont mis en évidence une immense fracture et se sont demandés si l’eau ne pouvait pas provenir des couches profondes remontée par un échauffement ou une activité volcanique. Ils supposent qu’il y aurait beaucoup d’eau dans les couches profondes qui s’est retrouvée rapidement en surface, ce qui constituerait un événement bref.

L’autre hypothèse repose sur l’axe d’obliquité. Il s’agit de l’angle entre l’axe de rotation d’une planète et la perpendiculaire à son axe orbital qui entraine sur la Terre les saisons. L’axe d’obliquité de Mars est de 24°, proche de celui de la Terre mais peut varier beaucoup, de l’ordre de 40° ! L’incidence des rayons solaires sur la surface martienne change donc énormément au cours du temps à l’origine de variations climatiques importantes. Si une variation de 1° de l’axe d’obliquité terrestre peut déclencher une période glaciaire, quel changement climatique ne peut être provoqué par une variation de 15 à 40° de l’axe martien ?

Expliquons-nous. Pour des faibles valeurs de l’axe d’obliquité, les rayons solaires n’atteignent pas les pôles et par conséquent, l’eau et le CO2 restent massivement piégés dans les hautes altitudes sous forme solide dans les calottes polaires. Lorsque l’axe d’obliquité est proche de celui de la Terre, ces calottes sont moins massives et subissent des variations de taille considérables en fonction de l’été et de l’hiver. Néanmoins, dans le cas d’un axe d’obliquité de plus de 40°, les pôles sont inclinés vers le Soleil et subissent donc une forte insolation. Les calottes polaires fondent et dégagent le CO2 piégé qui se retrouve dans l’atmosphère à nouveau épaissie. Il y a un effet de serre à l’origine du réchauffement de la surface martienne.

Evolution de la glace martienne en fonction de l’obliquité de la planète.
© ASD/IMCCE-CNRS/NASA

Les chercheurs pensent que les variations de l’axe d’obliquité martien seraient assez régulières et que toutes les 30-50 mille ans (durée très courte à l’échelle géologique) il y aurait une injection de vapeur d’eau et de CO2 issue de la sublimation des calottes polaires dans l’atmosphère et donc une reprise de l’effet de serre. Ceci n’a pas lieu sur Terre car la Lune stabilise son obliquité (les deux satellites de Mars sont trop petits pour produire un tel effet).

En accord avec l’hypothèse d’un changement régulier de l’axe d’obliquité de Mars, un panorama du sol martien montre des structures polygonales. Il s’agit de sites de gel/dégel où le sol est fracturé par la dilatation thermique comme nous pouvons en voir au Canada.

Succession de plaines craquelées et de vallées au fond du cratère Lyot
© NASA (Mars Reconnaissance Orbiter)

La planète Mars fonctionne donc comme un système limite où une faible variation d’un paramètre peut être à l’origine d’un cycle de l’eau ! Et ce basculement a très probablement lieu de façon très régulière dans les deux sens. Les scientifiques sont désormais quasi-certains qu’il y a de sous sol gelés sur Mars. Mais de nombreuses énigmes perdurent. Y-a-t-il de l’eau liquide sur Mars actuellement ? Pourquoi existe-t-il une dissymétrie si importante entre le pôle Nord et le pôle Sud ? Le travail de François Costard et de ses collègues s’apparente à celui de détectives qui essaient d’obtenir des indices, de les mettre ensembles et de trouver un scénario dans lequel tout est cohérent. Ils sont confrontés à diverses difficultés car ils ne peuvent pas aller sur place, sur Mars, ils n’ont pas accès aux dimensions verticales, il n’est pas possible de faire des coupes stratigraphiques et donc ils ne sont pas capables de faire une véritable étude géologique du lieu. De plus, par manque de financements, différents projets n’ont pas pu aboutir comme l’étude de la géométrie des sédiments par un radar embarqué sur un robot. Malgré toutes ces difficultés, François Costard nous explique que finalement l’approche pour étudier la planète Mars, en allant du global aux détails (au fur et à mesure des progrès techniques) est plus pertinente que l’inverse, celle qui a pourtant été utilisée pour la Terre, sur laquelle les scientifiques reposent ! Avant de se concentrer sur quelque chose de très précis, c’est bien de savoir ce qui se passe autour. Ce n’est qu’au XXème siècle que nous avons pu avoir une vision globale de notre planète, et c’est à ce moment- là aussi que nous avons pu observer plus précisément le sol martien !

Pour en savoir plus : http://ides.geol.u-psud.fr/presentation/index.presentation.html

http://fototek.geol.u-psud.fr/-Geomorphology-and-subsurface-.html

http://photojournal.jpl.nasa.gov/target/Mars