Cycle potentiel de conversion du chlore sur Mars.

Cycle potentiel de conversion du chlore sur Mars (c) ESA.

Pour la première fois, du chlorure d'hydrogène a été découvert dans l'atmosphère de Mars par des mesures directes. La découverte a été faite par le spectromètre russe Atmospheric Chemistry Suite (Complexe d'étude de la chimie de l'atmosphère) de la sonde spatiale Trace Gas Orbiter du projet russo-européen ExoMars-2016. Le chlorure d'hydrogène est apparu dans l'atmosphère lors d'une tempête de poussière à l'échelle de l'ensemble de la planète et a progressivement disparu après sa fin. Cette découverte nous oblige à reconsidérer les modèles de réactions chimiques associés à l'interaction de la surface et de l'atmosphère de Mars.

Le chlorure d'hydrogène, HCl, est connu dans les atmosphères d'au moins deux planètes du système solaire: la Terre et Vénus. Sur Terre, il est rejeté dans l'air par la mer lorsque les particules de sel marin sont converties en aérosol. Après interaction avec l'eau, du chlore est libéré, qui réagit ensuite avec les composés contenant de l'hydrogène et forme du chlorure d'hydrogène. De plus, l'ozone et les radicaux hydroxyles réagissent bien avec le chlorure d'hydrogène, par conséquent, la capacité oxydante de notre atmosphère dépend en partie de sa quantité, ainsi que des processus «d'amincissement» saisonnier de la couche d'ozone aux pôles.

Sur Vénus, le chlorure d'hydrogène est le principal «fournisseur» de chlore dans l'atmosphère, où il se décompose sous l'influence de la lumière du soleil et devient l'un des principaux facteurs assurant la stabilité de l'atmosphère de dioxyde de carbone. On a supposé que le chlorure d'hydrogène existe sur Mars, mais il n'a pas été possible de le détecter expérimentalement. Compte tenu des capacités des instruments disponibles, il a été conclu qu'il y avait très peu de molécules de HCl dans l'atmosphère martienne - 0,2 à 0,3 particules par milliard de volume .

Ces faibles concentrations sont appelées «traces». Pour détecter ces petits composants de l'atmosphère, le complexe spectrométrique ACS a été créé à l'Institut de recherche spatiale (IKI) de l'Académie russe des sciences. Il comprend trois spectromètres infrarouges à très haute sensibilité et résolution spectrale.

TGO est une sonde Mars, qui fait partie du projet ExoMars. Son nom est une abréviation de Trace Gas Orbiter, «Trace Gas Orbiter». Comme son nom l'indique, l'une des tâches principales est de trouver des gaz qui pourraient indiquer une activité volcanique et éventuellement biologique sur Mars. Leur concentration doit être très faible, c'est pourquoi une sensibilité record est exigée des instruments à bord. Le second, outre l'ACS, instrument embarqué sur le TGO, visant à résoudre le même problème, est le complexe spectrométrique belge NOMAD.

Depuis sa création en 2018, ACS a observé de nombreux gaz connus dans l'atmosphère martienne, ainsi que leurs «variétés» inconnues - les isotopologues. Peut-être que quelqu'un a déjà perdu l'espoir de découvrir quelque chose de nouveau sur Mars, mais des observations constantes ont apporté le résultat tant attendu: le chlorure d'hydrogène a été découvert pour la première fois dans l'atmosphère martienne. Dans le même temps, grâce à la méthode de travail «à la lumière» de l'atmosphère, ACS a pu non seulement détecter la présence même de HCl, mais également déterminer sa concentration en fonction de l'altitude.

Lignes d'absorption de chlorure d'hydrogène dans l'atmosphère de Mars. Un exemple de spectre obtenu par le complexe spectrométrique ACS à bord du vaisseau spatial TGO (mission ExoMars-2016, Roscosmos / ESA). Les observations ont été effectuées sur le mode des éclipses solaires, dans lesquelles l'appareil enregistre la lumière du Soleil traversant l'atmosphère de Mars. Différentes substances dans l'atmosphère absorbent la lumière du soleil de différentes manières, par conséquent, des «creux» caractéristiques sont visibles dans le spectre - raies d'absorption des atomes ou des molécules. La position des raies d'absorption du chlorure d'hydrogène est indiquée par la ligne pointillée; différents spectres montrent des observations faites à différentes hauteurs de la surface

Les mesures ont été effectuées d'avril 2018 à mars 2020 (un peu plus d'une année martienne s'est écoulée pendant cette période). Le chlorure d'hydrogène dans l'atmosphère de Mars a été enregistré pour la première fois après l'équinoxe d'automne dans l'hémisphère nord, lorsqu'une tempête de poussière a commencé, suivie d'une deuxième, plus petite. Pendant tout ce temps, dans l'atmosphère de Mars, il y avait une quantité relativement importante de poussière, qui s'élevait jusqu'à 30 à 50 km au-dessus de la surface. La poussière se réchauffe bien, donc elle réchauffe l'atmosphère, la faisant se dilater et augmenter la circulation. Cela devient cependant difficile à observer, bien qu'aux latitudes polaires l'atmosphère reste relativement claire.

«Nous n'avons commencé à enregistrer le chlorure d'hydrogène dans les hémisphères nord et sud qu'après le début d'une tempête de poussière», déclare Oleg Korablev, membre correspondant du RAS , premier auteur de l'article, directeur scientifique de l'expérience ACS et directeur adjoint du IKI RAS. - "Très probablement, il était déjà dans l'atmosphère, et il a été progressivement «emporté» par la circulation atmosphérique. Plus tard, pendant la récession de la tempête mondiale, nous avons également observé du HCl, y compris aux latitudes moyennes."

Après la fin de la deuxième tempête de poussière locale, ACS a progressivement cessé de détecter le chlorure d'hydrogène, de sorte qu'à la fin de la période mentionnée dans l'article, il ne pouvait être détecté que dans des cas isolés. Ainsi, la période où le chlorure d'hydrogène a pu être trouvé correspond au passage du périhélie, le point le plus proche de l'orbite du Soleil, et à la saison «poussière» sur Mars. La concentration de chlorure d'hydrogène variait de 1 à 4 ppmv, la plus élevée à des altitudes de 20-30 dans l'hémisphère sud. Les observations de l'appareil russe ont été confirmées par le NOMAD belge.

Chlorure d'hydrogène vers Mars au cours de l'année martienne selon le complexe spectrométrique ACS à bord du vaisseau spatial TGO (mission ExoMars-2016, Roscosmos / ESA). L'horizontale indique la position de Mars en orbite (longitude solaire), qui correspond à la saison; vertical - latitude. Les cercles indiquent les résultats ACS, les losanges - NOMAD. La couleur des cercles et des losanges correspond à la quantité de HCl dans l'atmosphère (échelle à droite, ppbv). Les gradations brunes montrent l'intensité de la tempête de poussière

Le fait que le chlorure d'hydrogène ne soit pas toujours présent dans l'atmosphère nous oblige à reconsidérer l'idée de processus chimiques sur Mars. Les chercheurs ont deux questions auxquelles il faut répondre: d'où vient le chlorure d'hydrogène et où va-t-il?

«C'est la première fois qu'un gaz halogène est détecté dans l'atmosphère de Mars, et c'est le témoin d'un cycle chimique entièrement nouveau que nous devons comprendre», explique Kevin Olsen, professeur à l'Université d'Oxford et l'un des auteurs principaux de l'article.

Les deux principales hypothèses sur la source du chlorure d'hydrogène sont les particules de poussière soulevées de la surface ou le volcanisme actif. On sait qu'une petite quantité de chlorure d'hydrogène est libérée lors des éruptions sur Terre. Dans ce cas, les "sursauts" dans la concentration de cette substance devraient correspondre à des événements sismiques sur Mars, mais jusqu'à présent aucune corrélation n'a été trouvée avec les données de l'atterrisseur InSight, qui observe l'activité sismique sur Mars. De plus, une bonne coïncidence dans le temps avec le début et la fin des tempêtes de poussière suggère que la source de chlore est toujours «en surface».

Le mécanisme de la «conversion» du chlore d'une partie constitutive des minéraux martiens en chlorure d'hydrogène gazeux n'est pas encore élucidé. Ainsi que la réponse à la question de savoir où le chlorure d'hydrogène disparaît après une tempête de poussière.

«Le fait que le chlore ait été enregistré lors d'une tempête de poussière», explique Oleg Korablev , «permet de supposer l'existence d'une interaction entre la surface et l'atmosphère, qui n'avait pas été prise en compte auparavant. Des analogues peuvent être trouvés sur Terre, des preuves indirectes ont été trouvées dans des expériences de laboratoire. "

Les observations se poursuivent et les chercheurs espèrent apporter des des réponses aux données à démêler. L'apparition et la disparition du chlorure d'hydrogène, qui réagit bien avec les molécules d'eau et d'hydroxyle, est susceptible d'affecter d'autres processus dans l'atmosphère martienne. Peut-être que l'effet se manifestera à des altitudes de plus de 30 km, où la majeure partie du chlorure d'hydrogène peut se décomposer en ses parties constituantes, et le chlore atomique commencera à interagir efficacement avec l'ozone (quelque chose de similaire se passe sur Terre). Par contre, il faut essayer de pénétrer à basse altitude: c'est peut-être là que le chlorure d'hydrogène disparaît au cours de certaines réactions chimiques.

«La découverte du chlorure d'hydrogène, un oligo-élément dans l'atmosphère de Mars, est une étape importante dans la mission TGO», a déclaré Hocken Swedham, directeur scientifique d'ExoMars Trace Gas Orbiter. «Il s'agit du premier nouveau type de gaz depuis que des preuves de présence de méthane sur Mars sont apparues au début des années 2000. Cette découverte a suscité l'intérêt pour la recherche d'autres molécules organiques, et a finalement conduit à la mission TGO, dont la recherche de nouveaux gaz est l'objectif principal."
Sources: IKI/Roscosmos