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Découverte surprenante de givre sur les volcans martiens près de l’équateur – « C’était impossible »

Tharsis Volcano Mars

Cette image haute résolution montre du givre récemment découvert au sommet de l'Olympus Mons, le plus haut volcan non seulement sur Mars mais dans tout le système solaire. Le givre apparaît bleu sur le sol de la caldeira du volcan (cratère sommital) et autour de son bord nord. Il est absent sur les pentes abruptes bien éclairées visibles à gauche de cette image. Crédit : ESA/TGO/CaSSIS

Les missions de l'ESA ont découvert du givre près de l'équateur de Mars, une découverte surprenante étant donné les températures généralement plus élevées de la région.

Ce gel, qui apparaît temporairement sur les volcans de Tharsis, suggère un microclimat et une circulation d'air uniques à haute altitude. Cette découverte, facilitée par les orbiteurs ExoMars TGO et ExoMars TGO de l'ESA, Mars Express marque une étape importante dans la compréhension de la dynamique atmosphérique martienne et pourrait influencer les explorations futures.

Des volcans gelés découverts dans les tropiques de Mars

Pour la première fois, de la glace d'eau a été observée près de l'équateur de Mars, grâce aux missions ExoMars et Mars Express de l'ESA. Il s'agit d'une partie de la planète où l'existence du gel était jusqu'alors inconcevable.

Le givre se trouve au sommet des volcans Tharsis, les plus hauts volcans non seulement de Mars mais aussi du système solaire. Il a été observé pour la première fois par l'orbiteur de gaz traces ExoMars (TGO) de l'ESA, puis par un autre instrument à bord de TGO et par la sonde Mars Express de l'ESA.

« Nous pensions qu'il était impossible que du givre se forme autour de l'équateur de Mars, car le mélange de soleil et d'atmosphère mince maintient les températures relativement élevées à la surface et au sommet des montagnes – contrairement à ce que nous voyons sur Terre, où l'on pourrait s'attendre à voir des pics gelés », explique l'auteur principal Adomas Valantinas, qui a fait la découverte alors qu'il était doctorant à Université de BerneSuisse, et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Brown, aux États-Unis.

Volcan Tharsis sur Mars

Vue en perspective de l'Olympus Mons depuis Mars Express, avec du givre (en bleu) dans le creux en forme de chaudron. Crédit : ESA/DLR/FU Berlin (A. Valantinas)

« Son existence ici est passionnante et suggère que des processus exceptionnels sont en jeu et permettent au gel de se former. »

Les plaques de givre sont présentes pendant quelques heures au lever du soleil avant de s’évaporer sous l’effet du soleil. Bien qu’elles soient fines – probablement seulement un centième de millimètre d’épaisseur (l’épaisseur d’un cheveu humain) – elles couvrent une vaste zone. La quantité de givre représente environ 150 000 tonnes d’eau échangées entre la surface et l’atmosphère chaque jour pendant les saisons froides, soit l’équivalent d’environ 60 piscines olympiques.

Topographie de la région de Tharsis sur Mars

Topographie de la région de Tharsis sur Mars. Crédit : NASA/MGS/MOLA Science Team, FU Berlin

Un microclimat particulier

La région de Tharsis sur Mars abrite de nombreux volcans, dont l'Olympus Mons et les monts Tharsis : Ascraeus, Pavonis et Arsia Mons. Beaucoup de ces volcans sont colossaux, dominant les plaines environnantes à des hauteurs allant d'une (Pavonis Mons) à trois (Olympus Mons) fois celle du mont Everest sur Terre.

Ces volcans possèdent des caldeiras, de larges cavités, à leur sommet, créées par le vidage des chambres magmatiques lors d'éruptions passées. Les chercheurs suggèrent que l'air circule d'une manière particulière au-dessus de Tharsis ; cela crée un microclimat unique dans les caldeiras des volcans de la région qui permet la formation de plaques de gel.

« Les vents se déplacent le long des pentes des montagnes, amenant de l'air relativement humide de la surface vers des altitudes plus élevées, où il se condense et se dépose sous forme de givre », explique Nicolas Thomas, co-auteur de l'étude, chercheur principal du système d'imagerie de surface stéréo et couleur (CaSSIS) de TGO et directeur de thèse d'Adomas à l'Université de Berne. « Nous observons en réalité ce phénomène sur Terre et dans d'autres parties de Mars, le même phénomène étant à l'origine du nuage allongé saisonnier d'Arsia Mons sur Mars. »

« Le givre que nous observons au sommet des volcans de Mars semble s'installer en particulier dans les régions ombragées des caldeiras, où les températures sont plus froides. »

Givre sur le volcan Olympus Mons de Mars

Vue de la surface gelée de l'Olympus Mons depuis Mars Express (en bleu). Crédit : ESA/DLR/FU Berlin

Adomas, Nicolas et leurs collègues ont repéré des givres sur les volcans Tharsis de l'Olympe, Arsia et Ascraeus Mons, ainsi que sur Ceraunius Tholus. La modélisation de la formation de ces givres pourrait permettre aux scientifiques de révéler d'autres secrets de Mars, notamment où se trouve l'eau et comment elle se déplace entre les réservoirs, et de comprendre la dynamique atmosphérique complexe de la planète. Ces connaissances sont essentielles pour notre future exploration de Mars et notre recherche de signes possibles de vie au-delà de la Terre.

Inattendu et convaincant

C'est la première fois que du givre est découvert à l'équateur de Mars. Mais pourquoi n'avait-il pas été repéré plus tôt ?

« Il y a plusieurs raisons à cela : tout d’abord, nous avons besoin d’une orbite qui nous permette d’observer un endroit tôt le matin. Alors que les deux orbiteurs martiens de l’ESA – Mars Express et TGO – ont de telles orbites et peuvent observer à toute heure de la journée, de nombreux satellites d’autres agences sont au contraire synchronisés avec le Soleil et ne peuvent observer que l’après-midi », ajoute Adomas.

« Deuxièmement, le dépôt de givre est lié aux saisons martiennes plus froides, ce qui réduit encore davantage la fenêtre d’observation. En bref, nous devons savoir où et quand chercher du givre éphémère. Nous le cherchions par hasard près de l’équateur pour d’autres recherches, mais nous ne nous attendions pas à le voir au sommet des volcans de Mars ! »

ExoMars espionne Frost sur Ceraunius Tholus

ExoMars a détecté du givre sur Ceraunius Tholus. Des chercheurs ont découvert pour la première fois du givre sur des volcans situés près de l'équateur de Mars, une partie de la planète où la formation de givre était jusqu'alors impossible. Cette découverte s'appuie sur les observations de deux instruments ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA, CaSSIS et NOMAD, ainsi que sur des images supplémentaires de Mars Express de l'ESA.
Cette image montre du givre sur le sol de la caldeira du volcan Ceraunius Tholus. Le givre est représenté en bleu. Crédit : ESA/TGO/CaSSIS

La découverte du givre a nécessité la collaboration de deux explorateurs de Mars en orbite autour de l'ESA : ExoMars TGO et Mars Express.

TGO est arrivé sur Mars en 2016 et a photographié et cartographié la surface, l'atmosphère et l'eau de Mars depuis le début de sa mission scientifique complète en 2018. Mars Express est en orbite autour de Mars depuis 2003 et a passé deux décennies à explorer la surface, le sous-sol, les minéraux, les phénomènes et l'atmosphère de Mars.

L'équipe de recherche a repéré le givre grâce à l'instrument CaSSIS de TGO. Ils ont ensuite confirmé leur découverte en examinant à nouveau la zone à l'aide du spectromètre Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD) de TGO et de la caméra stéréo haute résolution (HRSC) de Mars Express.

Détail de la caldeira complexe de l'Olympus Mons

Le mont Olympus vu par Mars Express en 2004. Cette vue verticale montre la caldeira complexe au sommet du mont Olympus sur Mars, le plus haut volcan de notre système solaire. Le mont Olympus a une altitude moyenne de 22 km et la caldeira a une profondeur d'environ 3 km. Crédit : ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

« La découverte d’eau à la surface de Mars est toujours passionnante, tant pour l’intérêt scientifique que pour ses implications pour l’exploration humaine et robotique », déclare Colin Wilson, scientifique de l’ESA pour les projets ExoMars TGO et Mars Express. « Malgré tout, cette découverte est particulièrement fascinante. La faible pression atmosphérique de Mars crée une situation inhabituelle dans laquelle les sommets des montagnes de la planète ne sont généralement pas plus froids que ses plaines – mais il semble que l’air humide qui souffle sur les pentes des montagnes puisse toujours se condenser en givre, un phénomène tout à fait semblable à celui de la Terre. »

« Cette découverte a été rendue possible grâce à la collaboration fructueuse entre les deux sondes martiennes de l'ESA et à des modélisations complémentaires. Comprendre exactement quels phénomènes sont identiques ou différents sur Terre et sur Mars permet de tester et d'améliorer notre compréhension des processus fondamentaux qui se produisent non seulement sur notre planète, mais aussi ailleurs dans le cosmos. »

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Chilling Revelation: Frost on the Solar System's Tallest Volcanoes.

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