Mars Express décrypte les cycles de l’atmosphère martienne

En décembre 2018, l’ESA fêtera les 15 ans en orbite martienne de la sonde européenne Mars Express. Plus de 18000 ellipses autour de la Planète Rouge et autant d’observations de la surface, de la météorologie martienne et de son atmosphère. Une base de données si riche qu’elle permet d’exploiter les résultats indirects ou secondaires de certaines mesures, comme dans le cas de l’étude sur les cycles des particules chargées de l’atmosphère martienne (1). « Lorsque le radar MARSIS émet à la verticale vers la surface de Mars pour en analyser les différentes couches, il y a lors du passage dans l’atmosphère, une interaction entre l’onde radar et les particules ionisées qui créé un retard dans la propagation, qui est proportionnel à la quantité d’électrons rencontrés. C’est en analysant que l’on déduit la valeur du TEC (Total Electron Content) de l’atmosphère martienne. » explique P.L. Blelly. Les TEC sont utilisés pour caractériser la concentration en particules ionisées dans l’atmosphère.

L’atmosphère de la planète rouge est différente de celle de la Terre : elle ne dispose ni de stratosphère pour faire « tampon » entre les phénomènes à basse altitude et la météorologie cosmique, ni d’une puissante magnétosphère pour la protéger des éruptions solaires. Entre 60 et 120 kilomètres d’altitude, on retrouve en réalité une zone que les scientifiques définissent comme l’ionosphère. « Les rayonnements d’une longueur d’onde inférieure à 100 nm émis par le Soleil (extrême UV) correspondent à des photons très énergétiques qui, lorsqu’ils rencontrent les particules de la haute atmosphère martienne peuvent « arracher » des électrons, créant ainsi un environnement ionisé, mais globalement neutre. L’ionosphère correspond à la couche externe de l’atmosphère qui absorbe les extrêmes UV », détaille P.L. Blelly. Disposer d’une valeur du TEC de l’atmosphère martienne, c’est donc avoir une image instantanée de la densité de particules chargées. L’étude, qui s’est concentrée sur plusieurs milliers de points de mesure, a pu dégager des tendances statistiques qui lient l’ionosphère martienne aux phénomènes cosmiques, mais aussi aux cycles de la surface de Mars.

« En fait on s’aperçoit qu’il y a trois facteurs majeurs qui influent sur les TEC, énumère P.L. Blelly. Le premier c’est évidemment le rayonnement solaire, et donc les évolutions quotidiennes en fonction du cycle jour/nuit ainsi que de l’activité solaire. Le second est lié à la variabilité de l’irradiance solaire le long de l’orbite de Mars, qui est plus elliptique que celle de la Terre, ce qui influe sur les TEC. Le dernier est lié aux constituants de l’atmosphère, notamment le CO₂. »  C’est d’ailleurs sur ce point que l’équipe de recherche a pu observer une variation importante en fonction des saisons. Au printemps, lorsque la glace des pôles de Mars se sublime (elle passe de l’état solide à l’état gazeux), l’atmosphère se charge en molécules de CO₂, qui produit CO et O par photodissociation. Or ce processus qui a lieu à la surface a des répercussions jusque dans l’ionosphère, au sein de laquelle les scientifiques ont retrouvé des changements de TEC durant cette période.

Pour résumer, l’étude confirme que tous les grands événements à la surface impactent la haute atmosphère martienne, et influent sur la variabilité des TEC. « Cela mène à la conclusion de notre étude, à savoir que les TEC sont potentiellement des traceurs efficaces des différents cycles de Mars.» affirme M. Blelly.

Halo bleu sur le crépuscule martien au Nord, observé en décembre 2017 par la sonde Mars Express (Crédits ESA/DLR/FU Berlin)

Actuellement, relever ces données est d’autant plus intéressant, car en plus de Mars Express, il y a les missions ExoMars TGO (ESA) et Maven (NASA) en orbite autour de la planète rouge, et il est possible d’utiliser ces différentes sources de données et instruments pour obtenir un modèle global de plus en plus précis. « Maven (Mars Atmosphère and Volatile EvolutioN) a notamment une instrumentation adaptée pour mesurer avec précision la composition de l’ionosphère, et il faut espérer que la sonde pourra prélever des données aussi longtemps que Mars Express ! En effet pour notre type d’études, plus les séries de mesures sont longues, plus nous pouvons être précis et éliminer les situations atypiques (éruptions solaires, tempêtes de sable, etc). » confirme P.L. Blelly. Sur le long terme, pour prévoir l’évolution de l’atmosphère martienne, les études comme celles-ci permettent de mieux comprendre l’environnement et de contraindre les paramètres pour savoir comment a évolué l’atmosphère martienne par le passé comme aujourd’hui. « C’est une équation complexe, conclut M. Blelly, mais ces données nous font progresser ».