Ce que nous avons appris sur Mars au cours de la 35e année martienne

L'IKI (Institut de Recherche Spatiale) a publié un résumé des dernières découvertes réalisées grâce au instruments russes sur le Trace Gaz Orbiter et d'une façon générale sur le projet ExoMars.

Cet article est à la fois très instructif et très facile à comprendre. Nous vous en donnons une traduction ci-dessous. Bonne lecture.

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Le mardi 19 octobre 2021, marque les 5 ans depuis que la station interplanétaire martienne Trace Gas Orbiter (TGO) de la mission russo-européenne ExoMars 2016 est entrée en orbite autour de Mars. Il y a quatre instruments scientifiques à bord du TGO : deux russes et deux européens. Si nous résumons tous les résultats qui ont été obtenus au cours de leurs travaux, alors nous pouvons dire qu'avec l'arrivée de TGO dans l'étude de Mars, le paradigme a été brisé.

Cela concerne principalement le climat et le temps martiens. Il est possible que même dans un passé relativement récent, il y ait eu plus d'eau sur Mars qu'on ne le supposait jusqu'à présent. Cependant, la question de la vie sur la planète rouge est toujours en train d'être résolue, plutôt dans un sens négatif, bien qu'ici il y ait encore de la place pour certains mystères.

Le complexe scientifique de l'appareil TGO comprend deux complexes spectrométriques : le russe ACS et le belge NOMAD. Leur tâche principale est de rechercher de petits constituants gazeux de l'atmosphère martienne, c'est-à-dire des substances dont la part ne dépasse pas 1%, ainsi que d'étudier les particules d'aérosol.

Le complexe russe ACS comprend trois spectromètres opérant dans différentes parties du spectre infrarouge. Ils se distinguent par une résolution spectrale record et une bonne sensibilité - le complexe ACS est capable de détecter des composants gazeux dont la concentration ne dépasse pas plusieurs dizaines de particules par billion par unité de volume.

La composition de l'atmosphère martienne semble simple. 95% est du dioxyde de carbone CO2, puis de l'azote (environ 3% pour cent), de l'argon (moins de 2%) et des composants dits mineurs (part totale inférieure à 1%). Ceux-ci comprennent la vapeur d'eau, l'oxygène, l'ozone et d'autres substances. Ils sont d'un intérêt particulier, car il y a de l'espoir que des biomarqueurs puissent également être trouvés parmi eux - des gaz qui peuvent indiquer la présence de la vie.

Bien que la question de la vie sur Mars reste à l'ordre du jour, l'attention des chercheurs s'est tournée ces derniers mois vers les problèmes de la chimie de l'atmosphère martienne. Il s'est avéré que les modèles disponibles aujourd'hui n'expliquent pas l'image de ce qui se passe sur Mars. Nous recueillons maintenant les détails de cette image.

Méthane, éthane, éthylène, phosphine...

Qu'est-ce qui unit tous les composés nommés ? La réponse est qu'ils sont tous actuellement considérés comme des signes possibles d'activité biologique. En mars, mai et juin 2021, trois articles ont été publiés dans des revues scientifiques sur la recherche de ces gaz sur Mars. La première place, bien sûr, est toujours le méthane.

La recherche de méthane est l'une des tâches principales du spectromètre ACS. Déjà en 2018, presque immédiatement après le début des travaux réguliers, il est devenu clair que le méthane dans l'atmosphère de Mars est d'un ordre de grandeur inférieur à ce qui était supposé sur la base d'observations au sol - pas plus de 50 particules par billion par unité de volume (ou 0,05 particules par milliard, parties par milliard par volume, ppbv). Ce résultat a été rendu public en 2019 après des examens approfondis.

Dans un nouvel article publié en juin 2021 dans Astronomy & Astrophysics, ces estimations ont été encore plus resserrées. Les chercheurs Frank Montmessin (laboratoire LATMOS, France) et Oleg Korablev (IKI RAS, Russie) et leurs co-auteurs ont traité les données ACS pendant une année et demie martienne (environ 2,7 années terrestres) - 34e et 35e en calcul martien (MY34 et MY35) ). Comme précédemment (dans l'  article de Korablev et al., Publié dans la revue Nature en 2019), aucune trace de méthane n'a été trouvée dans les spectres TGO. De plus, la limite supérieure a été améliorée, c'est-à-dire qu'il a été constaté que la concentration de méthane dans l'atmosphère ne dépasse pas 0,02 ppbv avec une probabilité de 99%.

Ces mesures contredisent à nouveau le fait que le rover martien américain Curiosity enregistre du méthane à des concentrations supérieures à des ordres de grandeur - jusqu'à 19 ppbv, et en moyenne pas moins de 0,2-0,5 ppbv. Cependant, si Curiosity opère près de la surface, alors ACS observe l'atmosphère à plusieurs kilomètres au-dessus d'elle. Ainsi, il est possible de « réconcilier » les résultats des deux dispositifs, si l'on suppose que le méthane dans la basse atmosphère est immédiatement détruit ou tombe dans une sorte de « piège » et ne remonte pas vers les couches supérieures. Cependant, il n'y a pas encore de suggestions sur le processus qui pourrait détruire le méthane si rapidement ou l'"isoler" du reste de l'atmosphère.

À peu près la même chose peut être dite à propos de la phosphine, qui a récemment été considérée comme un biomarqueur potentiel. L'ACS n'a pas détecté de bandes d'absorption de phosphine. Sa teneur dans l'atmosphère ne dépasse pas 0,1-0,6 ppbv. Précisons que nous ne parlons pas de véritables "traces" de matière observables, mais de la sensibilité nécessaire aux instruments des appareils suivants pour capturer ces gaz - si, bien sûr, ils le sont.

Un article avec ce résultat a été publié dans Astronomy & Astrophysics en mai 2021 ; ses premiers auteurs étaient Kevin Olsen (Kevin Olsen, Université d'Oxford, Grande-Bretagne) et Alexander Trokhimovsky (IKI RAS).

Acide chlorhydrique du sel martien

Si la présence de méthane sur Mars avant le début des travaux de TGO était presque certaine et n'attendait qu'une confirmation inévitable, alors il n'y avait pas une telle conviction qu'il y ait du chlorure d'hydrogène (HCl, en fait, de l'acide chlorhydrique) dans l'atmosphère de la planète. Il était supposé exister, mais il n'a pas été possible de le détecter expérimentalement avant l'ACS. Le point était, encore une fois, dans une faible concentration - comme le montrent les premières estimations, sa concentration ne devrait pas dépasser 0,2-0,3 ppbv.

En février de cette année, Science Advances a publié un article (d'abord par Oleg Korablev) sur la découverte de chlorure d'hydrogène (HCl) dans l'atmosphère de Mars. La découverte a été faite par le spectromètre russe ACS. Selon les mesures, le chlorure d'hydrogène est apparu dans l'atmosphère lors d'une tempête de poussière mondiale qui se produit sur Mars toutes les quelques années, et a progressivement disparu après sa fin. Les observations se réfèrent à la 34e année martienne (MY34). Son contenu, selon ces données, variait de 1 à 4 ppbv. Et, contrairement à la phosphine, c'est le vrai contenu : dans les spectres que reçoit l'ACS, les bandes d'absorption de HCl ont été détectées avec une grande fiabilité.

Une hypothèse raisonnable est apparue que la formation de HCl est associée précisément à la présence d'un grand nombre d'aérosols soulevés par les vents de la surface. Cependant, l'équipe de chercheurs de l'ACS a décidé de clarifier cette hypothèse : dans un article de mars dans Astronomy & Astrophysics, un article de Kevin Olsen, Alexander Trokhimovsky et leurs collègues a été publié sur l'apparition du chlorure d'hydrogène au cours de la 35e année martienne suivante (MY35) - bien qu'il n'y ait pas eu de tempête de poussière mondiale cette année-là.

Les valeurs absolues de la teneur en HCl pour les deux années sont très proches - 0,1 à 6 ppbv. Ainsi, les auteurs suggèrent que ce n'est pas une tempête de poussière, mais plutôt une "saison de poussière" (le moment où la quantité de poussière dans l'atmosphère est maximale, en l'occurrence l'été dans l'hémisphère sud) est la cause de la formation de chlorure d'hydrogène. .

Dans le même temps, le mécanisme d'apparition et de disparition rapide de ce gaz n'est pas encore tout à fait élucidé. On peut spéculer, et les deux articles envisagent l'hypothèse que le HCl, ou au moins une partie de celui-ci, pénètre dans l'atmosphère depuis l'intérieur de la planète, à la suite de processus volcaniques. ACS a détecté ce gaz à plusieurs reprises pendant la saison estivale calme dans l'hémisphère nord, lorsque l'atmosphère est presque exempte de poussière.

Un autre article d' Alexander Trokhimovsky et de ses collègues, publié dans la même revue en juillet, est consacré à l'étude de la composition isotopique du chlore dans le chlorure d'hydrogène atmosphérique : H35Cl et H37Cl.

La plupart des gaz martiens sont considérablement enrichis en isotopes lourds en raison de la perte à long terme de son atmosphère par Mars. Cependant, c'est précisément pour le chlorure d'hydrogène qu'il a été déterminé que son rapport isotopique correspond presque à celui terrestre. Très probablement, cela signifie que le chlorure d'hydrogène observé, et en particulier le chlore dans sa composition, ne participe pas aux processus d'échange à long terme entre la surface et l'atmosphère - en d'autres termes, le chlore est plus ou moins "enfermé" dans la partie inférieure couches de l'atmosphère de Mars.

L'eau s'envole et reste, mais lourde

Contrairement au chlore, la composition isotopique de l'hydrogène (H) dans l'atmosphère martienne diffère de celle sur Terre. Mars a cinq fois plus de deutérium (D) - hydrogène "lourd", dont le noyau, en plus d'un proton, contient un neutron de plus - que sur Terre.

Connaître ce fait permet d'estimer la quantité d'eau que Mars a perdue au cours de son histoire. Le principal "fournisseur" d'hydrogène dans l'atmosphère est constitué de molécules d'eau H2O. Puisque, contrairement à la Terre, sur Mars, l'eau sort plutôt activement de l'atmosphère vers l'espace, alors si vous connaissez le taux de pertes, vous pouvez restaurer la chaîne "en arrière" et comprendre quelle était la quantité d'eau au début.

En gros, nous devons comprendre à quelle vitesse une molécule d'eau, une fois dans la haute atmosphère, se désintègre en ions, qui quittent, d'une manière ou d'une autre, l'atmosphère, ou se lient à une autre substance et restent sur la planète.

On peut supposer qu'initialement, au moment de la formation de la planète, le rapport D/H martien était similaire à celui de la Terre. Mais l'hydrogène "léger" s'évapore plus rapidement que l'hydrogène lourd, donc sur des centaines de millions d'années, ce rapport a changé pour atteindre le niveau que nous observons aujourd'hui.

Il a été supposé que ce processus est déterminé par deux mécanismes. Le premier est la condensation, c'est-à-dire le passage de l'eau atmosphérique d'un état gazeux à un état de glace, la formation de nuages ​​"de neige". La seconde est la photolyse, c'est-à-dire la désintégration des molécules en un ion hydrogène H et un radical OH sous l'action du rayonnement ultraviolet solaire. Le problème sur lequel les chercheurs travaillent actuellement est de savoir comment fonctionnent ces mécanismes, quel est le résultat de leur "action", si elle est mesurée en termes de quantité d'eau "perdue" et/ou de variations de l'indice D/H.

En juin 2021, la revue Nature Astronomy a publié un article présentant les résultats de mesures de la concentration d'eau (H20) et d'eau lourde (HDO, où l'un des atomes d'hydrogène est remplacé par un atome de deutérium) sur Mars, en fonction de la hauteur. au-dessus de la surface.

Ses auteurs Juan Alday (Université d'Oxford, Grande-Bretagne), Alexander Trokhimovsky (IKI RAS) et leurs collègues, dont ceux du laboratoire LATMOS, ont comparé les données obtenues par ACS avec le taux de photolyse attendu, et sont arrivés à la conclusion que pour la formation d'ions hydrogène dans l'atmosphère, c'est le mécanisme de photolyse qui est le plus important. De plus, il s'est avéré qu'au cours de son évolution, les atomes d'hydrogène se forment en plus grande quantité que les atomes de deutérium (on croyait auparavant que pour la "séparation" de l'hydrogène et du deutérium dans l'atmosphère, la condensation est plus importante).

Le deuxième résultat de l'ACS, décrit dans un  article de Denis Belyaev (IKI RAS) et ses collègues (publié en mai 2021 dans Geophysical Research Letters), est basé sur des observations de la concentration de vapeur d'eau à des altitudes de 100 à 120 km au-dessus de la surface. . Auparavant, cette couche (mésosphère et haute mésosphère) n'était pas étudiée dans l'étude de la distribution de l'eau.

Selon les nouveaux résultats, la concentration maximale de molécules de vapeur d'eau H2O était de 10 à 50 parties par million par unité de volume (ppmv) pendant la tempête de poussière mondiale de 34 années martiennes, ainsi que pendant les deux solstices d'été dans l'hémisphère sud - MY34 et MY35. (Dans d'autres périodes, les valeurs maximales à ces hauteurs étaient significativement plus faibles et n'atteignaient pas 2 ppmv).

Comme mentionné ci-dessus, il n'y a pas eu de tempête de poussière mondiale au cours de la 35e année martienne. Mais les molécules d'eau atteignaient néanmoins des hauteurs telles qu'elles pouvaient déjà être facilement détruites par la lumière ultraviolette solaire. Ainsi, il est très probable que ce soit le changement de saison - le début de l'été austral, et pas seulement les tempêtes de poussière - qui augmente le taux de perte d'eau.

Ce facteur était auparavant sous-estimé : on croyait que des « rafales » de pertes se produisent précisément pendant les tempêtes de poussière mondiales, tandis qu’à d’autres moments, l’eau « s’évapore » à un rythme plus ou moins régulier. Mais l'atmosphère martienne s'avère beaucoup plus dynamique. En plus des tempêtes de poussière mondiales, les tempêtes régionales jouent également un rôle important. L'  article, publié en août dans la revue Nature Astronomy, a collecté des données de trois satellites artificiels de Mars, dont l'expérience ACS/TGO, sur la quantité de poussière, la température, la concentration de glace, de vapeur d'eau et d'hydrogène dans l'atmosphère de Mars lors d'une tempête de poussière (été MY34 de l'hémisphère sud, janvier - février 2019 sur Terre). Comme leur analyse l'a montré, le taux de perte d'hydrogène à ce moment peut augmenter de 5 à 10 fois. Étant donné que les tempêtes de poussière régionales se produisent presque chaque année, leur contribution à l'évolution de l'atmosphère martienne peut être très importante.

Les années martiennes sont comptées à partir du 11 avril 1955 terrestre - Ls 0, moment de l'équinoxe vernal dans l'hémisphère nord. De plus, comme l'orbite de Mars est assez allongée, les saisons diffèrent en longueur - le printemps et l'été du nord sont plus courts que ceux du sud.

Vous pouvez convertir la Terre en heure martienne en utilisant, par exemple, le serveur Web The Mars Climate Database Projects. À propos, maintenant (octobre 2021) dans l'hémisphère sud de Mars, il y a un hiver profond de la 36e année martienne.

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Le projet ExoMars est un projet conjoint de la Roscosmos State Corporation et de l'Agence spatiale européenne. Il est mis en œuvre en deux étapes. La première mission, lancée en 2016, comprend deux engins spatiaux : le Trace Gas Orbiter (TGO) pour observer l'atmosphère et la surface de la planète et l'atterrisseur Schiaparelli pour tester les technologies d'atterrissage.

Les tâches scientifiques de l'appareil TGO sont l'enregistrement de petits composants de l'atmosphère martienne, dont le méthane, la cartographie de l'abondance de l'eau dans la couche supérieure du sol avec une haute résolution spatiale de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres, et l'imagerie stéréo de la surface. L'appareil est équipé de deux instruments créés en Russie : le complexe spectrométrique ACS (ACS - Atmospheric Chemistry Suit) et le télescope à neutrons haute résolution FREND (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). La Russie fournit également une fusée proton avec un étage supérieur Briz-M pour le lancement.

La deuxième phase du projet (lancement en 2022) prévoit la livraison de la plate-forme d'atterrissage russe Kazachok à la surface de Mars avec à son bord le rover européen Rosalind Franklin. La Russie fournit un lanceur Proton-M avec un étage supérieur Briz-M pour le lancement.

Dans le cadre de ces deux étapes, un complexe scientifique au sol du projet ExoMars, associé à l'ESA, est en cours de création en Russie pour la réception, l'archivage et le traitement de l'information scientifique.

Sources: IKI et Roscosmos

Des articles

Mesures des bimarqueurs TGO sur Mars

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Mesures de chlorure d'hydrogène sur Mars

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2. KS Olsen, A. Trokhimovskiy, L. Montabone, AA Fedorova, M. Luginin, F. Lefèvre, OI Korablev, F. Montmessin, F. Forget, E. Millour, A. Bierjon, L. Baggio, J. Alday, CF Wilson, PGJ Irwin, DA Belyaev, A. Patrakeev et A. Shakun Réapparition saisonnière de HCl dans l'atmosphère de Mars pendant la saison poussiéreuse de l'année 35 . A&A , 647 (2021) A161 DOI : https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140329
3. Oleg Korablev, Kevin S. Olsen, Alexander Trokhimovskiy HCl transitoire dans l'atmosphère de Mars . Science Advances 10 février 2021 Vol 7 , numéro 7 DOI: 10.1126 / sciadv.abe4386

Mesures du rapport eau et D/H sur Mars

1. MS Chaffin, DM Kass, S. Aoki, AA Fedorova, J. Deighan, K. Connour, NG Heavens, A. Kleinböhl, SK Jain, J.-Y. Chaufray, M. Mayyasi, JT Clarke, AIF Stewart, JS Evans, MH Stevens, WE McClintock, MMJ Crismani, GM Holsclaw, F. Lefevre, DY Lo, F. Montmessin, NM Schneider, B. Jakosky, G. Villanueva, G Liuzzi, F. Daerden, IR Thomas, J.-J. Lopez-Moreno, MR Patel, G. Bellucci, B. Ristic, JT Erwin, AC Vandaele, A. Trokhimovskiy & OI Korablev. Perte d'eau martienne dans l'espace renforcée par les tempêtes de poussière régionales . Nat Astron 5 , 1036-1042 (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01425-w
2. Denis A. Belyaev, Anna A. Fedorova, Alexander Trokhimovskiy, Juan Alday, Franck Montmessin, Oleg I. Korablev, Franck Lefèvre, Andrey S. Patrakeev, Kevin S. Olsen, Alexey V. Shakun. Révéler une abondance d'eau élevée dans la haute mésosphère de Mars avec ACS à bord du TGO . Lettres de recherche géophysique 48 , numéro 10, 28 mai 2021 DOI : https://doi.org/10.1029/2021GL093411
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