En parcourant 20 ans d'images des vaisseaux spatiaux Mars Express et ExoMars Trace Gas Orbiter de l'Agence spatiale européenne, les scientifiques ont suivi 1 039 tourbillons ressemblant à des tornades pour révéler comment la poussière est soulevée dans l'air et balayée autour de la surface de Mars.
Publié dans Avancées scientifiquesleurs découvertes, notamment le fait que les vents les plus forts sur Mars soufflent beaucoup plus vite que nous le pensions, nous donnent une image beaucoup plus claire de la météo et du climat de la planète rouge.
Et avec ces « diables de poussière » rassemblés dans un seul catalogue public, cette recherche n’est qu’un début. Outre la science pure, cela sera utile pour planifier de futures missions, par exemple en intégrant des dispositions pour la poussière gênante qui se dépose sur les panneaux solaires de nos rovers robotiques.
Nous observons des diables de poussière depuis des décennies avec les rovers et les orbiteurs martiens. Cette recherche va encore plus loin, étant la première à suivre le mouvement d'un si grand nombre de ces tornades afin de découvrir comment elles se déplacent exactement à la surface de Mars.
L'étude a été dirigée par Valentin Bickel de l'Université de Berne en Suisse. Leur catalogue est le premier à inclure les vitesses et les directions des mouvements des diables de poussière partout sur Mars.
« Les diables de poussière rendent visible le vent normalement invisible », explique Valentin. « En mesurant leur vitesse et leur direction de déplacement, nous avons commencé à cartographier le vent sur toute la surface de Mars. Cela était impossible auparavant car nous n'avions pas suffisamment de données pour effectuer ce type de mesure à l'échelle mondiale. »
Mars est une planète spectaculaire, avec de vastes volcans et des cratères caverneux. Pourquoi devrions-nous nous concentrer sur quelque chose d’aussi ennuyeux que la poussière ?
La poussière peut protéger du soleil pour maintenir les températures diurnes plus fraîches et agir comme une couverture pour maintenir les températures nocturnes plus chaudes. Et les particules de poussière peuvent servir de point de départ à la formation des nuages, tandis que les tempêtes de poussière peuvent même forcer la vapeur d’eau à s’échapper dans l’espace.
Contrairement à la Terre, où elle est emportée par la pluie, la poussière peut rester longtemps dans l'atmosphère de Mars et être soufflée partout sur la planète. Ainsi, pour une meilleure compréhension du climat de Mars, les scientifiques souhaitent comprendre quand, où et comment la poussière est soulevée de la surface dans l'atmosphère.
Plus de données, meilleure image
Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont formé un réseau neuronal pour reconnaître les diables de poussière, puis ont passé au peigne fin les images prises par Mars Express depuis 2004 et ExoMars TGO depuis 2016 pour constituer un catalogue de 1 039 d'entre eux.
La carte incluse dans cette version montre l'emplacement des 1 039 diables de poussière et la direction de déplacement de 373. Elle confirme que même si les diables de poussière se trouvent partout sur Mars, même sur ses imposants volcans, de nombreux tourbillons sont balayés depuis certaines « régions sources ». Par exemple, beaucoup d’entre eux étaient regroupés dans Amazonis Planitia (en haut à gauche de la carte), une immense zone de Mars recouverte d’une fine couche de poussière et de sable.
En suivant la vitesse à laquelle les tourbillons de poussière se déplaçaient, les chercheurs ont découvert des vitesses de vent allant jusqu'à 44 m/s, soit 158 km/h. C'est plus rapide que ce que nous avons jamais mesuré avec des rovers au sol, même s'il convient de noter que l'air martien est si raréfié qu'un humain remarquerait à peine un vent de 100 km/h sur Mars.
Les chercheurs ont découvert que, dans la plupart des cas, les tourbillons de poussière étaient soufflés à travers le paysage plus rapidement que ne le prédisaient nos modèles météorologiques actuels sur Mars. Dans les endroits où la vitesse du vent est plus élevée que prévu, il peut y avoir plus de poussière soulevée du sol que nous ne le pensions.
Comme la Terre, Mars a des saisons. Le catalogue souligne également que les tourbillons de poussière sont plus courants au printemps et en été de chaque hémisphère. Ils durent quelques minutes et se produisent généralement pendant la journée, avec un pic entre 11h00 et 14h00, heure solaire locale.
Ceci est très similaire à ce que nous observons sur Terre, où les tourbillons de poussière sont plus fréquents dans les endroits secs et poussiéreux, en fin de matinée ou en début d'après-midi pendant les mois d'été.
Meilleure image, exploration plus sûre
Ce type de vue d'ensemble nécessite beaucoup de données, qui ne peuvent pas être capturées uniquement par les rovers et les atterrisseurs. Jusqu'à présent, nos modèles du climat de Mars étaient basés sur les données limitées dont nous disposions provenant de missions qui ne couvrent pas vraiment une grande partie de la surface de la planète.
Grâce à cette étude, nous disposons désormais de nombreuses nouvelles mesures provenant de toute la planète Mars, contribuant à alimenter et affiner les modèles. Cela améliore notre compréhension et nos prévisions de la configuration des vents autour de la planète rouge.
« Les informations sur la vitesse et la direction du vent sont également très importantes pour planifier l'arrivée des futurs atterrisseurs et rovers sur Mars », mentionne Valentin. « Nos mesures pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre les conditions de vent sur un site d'atterrissage avant l'atterrissage, ce qui pourrait les aider à estimer la quantité de poussière susceptible de se déposer sur les panneaux solaires d'un rover et donc à quelle fréquence ils devraient s'auto-nettoyer. »
Nous utilisons déjà les informations sur la poussière pour planifier nos futures missions. Notre rover ExoMars Rosalind Franklin devrait atterrir sur Mars en 2030 pour éviter d'atterrir pendant la saison mondiale des tempêtes de poussière de la planète.
Valentin souligne que « ce catalogue de traces de Dust Devil est déjà public et que chacun peut l'utiliser pour ses propres recherches. D'autres entrées sont ajoutées au fil du temps : Mars Express et ExoMars TGO collectent de nouvelles images chaque jour ».
« Maintenant que nous savons où les tourbillons de poussière se produisent habituellement, nous pouvons diriger davantage d'images vers ces lieux et moments précis. Nous coordonnons également les missions pour imager les mêmes tourbillons de poussière en même temps, afin de pouvoir comparer les mesures de mouvement et valider les données. »
Du bruit à l'or
Mars Express et ExoMars TGO n’ont jamais été conçus pour mesurer la vitesse du vent sur Mars. L'équipe de Valentin a utilisé une fonctionnalité normalement indésirable des données pour suivre les diables de poussière.
Pour les deux engins spatiaux, une seule image est créée en combinant des vues de canaux distincts (chaque canal regarde Mars soit dans une couleur spécifique, soit dans une direction spécifique, ou les deux). De par sa conception, il existe un petit délai entre les vues. Ce retard ne pose aucun problème tant que la surface est statique. Cependant, cela peut provoquer de légers « décalages de couleurs » dans l'image finale chaque fois que quelque chose bouge, comme des nuages et des tourbillons de poussière. Ces compensations correspondaient exactement à ce que recherchaient les chercheurs : selon les mots de Valentin, « nous avons transformé le bruit de l'image en mesures scientifiques précieuses ».
Une séquence d'imagerie de Mars Express combine jusqu'à neuf canaux d'images pris avec un délai d'environ 7 à 19 secondes entre chacun. Pendant ces délais, tout tourbillon de poussière passant en dessous se déplace sur une courte distance, permettant aux chercheurs de mesurer sa vitesse. Étant donné que cinq canaux d’images distincts ont été utilisés dans cette étude, l’équipe a même pu voir à quel point le diable de poussière vacillait de gauche à droite, ainsi que l’évolution de sa vitesse au fil du temps.
Les images prises avec le système d'imagerie stéréo couleur et surface (CaSSIS) d'ExoMars TGO combinent deux vues prises à une seconde (pour les images couleur) ou à 46 secondes (pour les images stéréo). Bien que nous ne puissions voir aucune oscillation ou accélération, le délai supplémentaire nous permet de voir les diables de poussière se déplacer beaucoup plus entre chaque image.
« C'est formidable de voir des chercheurs utiliser Mars Express et ExoMars TGO pour des recherches totalement inattendues », déclare Colin Wilson, scientifique du projet de l'ESA pour les deux missions. « La poussière affecte tout sur Mars, depuis les conditions météorologiques locales jusqu'à la qualité de nos images depuis l'orbite. Il est difficile de sous-estimer l'importance du cycle de la poussière. »
