Une nouvelle analyse des données envoyées par le spectromètre SPICAM, à bord du satellite Mars Express de l'ESA, a révélé pour la première fois que l'atmosphère de la planète est sursaturée en vapeur d'eau. Cette découverte surprenante aux implications majeures pour la compréhension du cycle de l'eau martien ainsi que pour l'évolution de son atmosphère est présentée dans un article de
Science du 29 septembre 2011.
Bien que plusieurs satellites aient visité Mars depuis les années 70, très peu de mesures directes de la structure verticale de l'atmosphère de la planète ont été réalisées.
Dans l'ensemble, la plupart des instruments qui ont opéré à ce jour en orbite ont regardé essentiellement la surface. En étudiant seulement la distribution horizontale de l'eau dans l'atmosphère, ils ont laissé la question du profil vertical de la vapeur d'eau dans l'atmosphère quasi inexplorée. Compte tenu de ce manque de mesures directes, la représentation de la distribution verticale de la vapeur d'eau, élément-clé dans l'étude du cycle hydrologique de Mars, est généralement fondée sur les prédictions théoriques des modèles de climat.
Enfin un profil vertical de la vapeur d'eau dans l'atmosphère martienne !
Cette lacune dans les données est maintenant comblée par le spectromètre SPICAM (
Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars) de Mars Express. Utilisé en mode occultation quand il scrute la lumière du Soleil qui traverse l'atmosphère de la planète juste avant son lever ou son coucher, l'instrument enregistre des mesures des différents constituants de l'atmosphère.
Des profils verticaux de concentration peuvent alors être établis, y compris pour la vapeur d'eau. Or des données de SPICAM dans la gamme infrarouge obtenues au cours du printemps et de l'été dans l'hémisphère Nord, indiquent que la distribution verticale de vapeur d'eau dans l'atmosphère martienne n'est pas compatible avec ce que les modèles de climat prévoient. Ces résultats fournissent pour la première fois la preuve de l'existence de vapeur d'eau en état de sursaturation sur Mars.
L'atmosphère de Mars contient environ 10.000 fois moins de vapeur d'eau que celle de la Terre. Si elle se condensait à la surface, l'eau présente dans l'atmosphère martienne ne formerait qu'une couche de 10 micromètres (1/100e de mm) d'épaisseur sur toute la planète. Néanmoins, la vapeur d'eau est un gaz trace marqué par une très forte dynamique, s'avérant l'un des constituants atmosphériques de Mars les plus variables (localement, sa concentration peut varier d'un facteur supérieur à 1000 au cours de l'année).
Vapeur d'eau sur Mars. Cliquer pour voir l'animation.
Dans des conditions terrestres standard, la vapeur d'eau tend à se condenser autour de petites poussières en suspension, ou de particules d'aérosols ou de sels, quand la température descend au-dessous du "point de condensation". L'atmosphère est ainsi dite "saturée", car elle ne peut contenir plus d'humidité à cette température et à cette pression. Toute la quantité de vapeur d'eau excédant le "point de condensation" se condense pour former des gouttelettes ou des cristaux de glace qui viendront plus tard précipiter.
Cependant, quand les noyaux de condensation (que l'on suppose être des poussières minérales en suspension dans l'atmosphère) sont trop rares, la condensation est fortement ralentie et ne permet pas à la vapeur d'eau en excès de condenser. Ce phénomène crée alors une sursaturation en eau qui reste sous forme gazeuse en déséquilibre de phases.
Une sursaturation fréquente
Mars Express en orbite autour de Mars - Crédit: ESA Jusqu'à présent, il était supposé a priori qu'une telle sursaturation ne pouvait exister au sein de l'atmosphère martienne, par ailleurs très froide (- 100°C): toute molécule d'eau au-delà du niveau de saturation était supposée se transformer immédiatement sous forme de glace.
Car sur Mars, les conditions de pression et température n'autorisent que deux états pour l'eau: solide et/ou gazeux.
Néanmoins, les données de SPICAM ont révélé que la sursaturation de la vapeur d'eau est un phénomène fréquent sur Mars. Des niveaux de sursaturation très élevés y ont été trouvés, jusqu'à 10 fois supérieurs à ceux rencontrés sur Terre.
De fait, il y a beaucoup plus de vapeur d'eau dans la partie supérieure de l'atmosphère martienne que ce que quiconque avait imaginé jusqu'alors.
Les modèles de climat ont semble-t-il grandement sous-estimé la concentration en vapeur d'eau aux altitudes supérieures à 15 km, niveau au-delà duquel la vapeur d'eau rencontre son point de condensation théorique, avec 10 à 100 fois plus d'eau que ce qui était initialement prévu.
Image du pôle sud de Mars réalisée grâce aux données de Mars Express en janvier 2011. Crédits: ESA. "La distribution verticale de vapeur d'eau est un facteur clé dans l'étude du cycle hydrologique de Mars, et un vieux paradigme, qui suppose que l'eau est principalement contrôlée par la physique de la saturation, doit maintenant être entièrement révisé" constate Luca Maltagliati, boursier post-doctorant du CNES au LATMOS. "Notre découverte a des implications majeures pour la compréhension du climat de la planète ainsi que pour le transport de l'eau au sens large. En effet, cette capacité de la vapeur d'eau à subsister en état de forte sursaturation lui permet d'alimenter des couches atmosphériques dominées par des mouvements Nord-Sud. Grâce à cela, l'hémisphère Sud est alimenté en eau beaucoup plus efficacement que ne le prédisent les modèles actuellement. Ce mécanisme a sans doute perduré et perdurera encore sur des milliers d'années."
"Les données de SPICAM montrent qu'une quantité bien plus grande de vapeur d'eau peut être transportée assez haut dans l'atmosphère pour y être détruite par photodissociation," ajoute Franck Montmessin, responsable scientifique de SPICAM et co-auteur de l'article.
Le rayonnement solaire casse les molécules d'eau et produit des atomes d'oxygène et d'hydrogène suffisamment légers pour ensuite s'échapper vers l'espace interplanétaire. Ceci a des implications fondamentales sur la problématique de l'eau martienne, dont on sait qu'une fraction notable s'échappe continuellement vers l'espace (à travers l'hydrogène et l'oxygène) depuis des milliards d'années, expliquant en partie la faible concentration d'eau actuelle.
Après ces premières révélations, la poursuite de l'analyse des données de SPICAM pourrait encore livrer des résultats étonnants.
Référence:
Evidence of Water Vapor in Excess of Saturation in the Atmosphere of Mars, L. Maltagliati, F. Montmessin, A. Fedorova, O. Korablev, F. Forget, and J.-L Bertaux, Science, September 201