Cet article est initialement paru dans le Bulletin APM n°84 publié en juillet 2020. Chaque trimestre, les membres de l’association reçoivent un bulletin avec des articles et dossiers exclusifs. Vous retrouverez ci-dessous un extrait de celui-ci, disponible en version complète pour les membres.

La communauté scientifique martienne a, depuis longtemps, fait sienne la devise « Follow the water » (suivez la piste de l’eau), la présence d’eau liquide apparaissant indispensable pour l’émergence d’une vie. Ce slogan a guidé la progression des investigations menées par les missions successives, avec un succès indéniable en matière de logique, d’économie de moyens et de résultats.

Sur Mars, à l’heure actuelle, l’eau n’existe pratiquement pas à l’état liquide en raison de la pression atmosphérique très basse, 6 millibars en moyenne, sur la journée et l’année, à l’altitude moyenne (« Datum ») qui correspond par ailleurs à la ligne de la dichotomie crustale qui sépare de façon très contrastée les hautes terres du Sud (jusqu’à 3 ou 4 km au-dessus du Datum), des basses terres du Nord (4 à 5 km en dessous du Datum en moyenne). Cette pression est aussi celle du point triple de l’eau (611 Pa) c’est-à-dire le point du diagramme de phase de l’eau pure où peuvent coexister ses phases liquide, solide et gazeuse. A cette pression la glace d’eau pure a tendance à se sublimer, c’est-à-dire à passer directement de la phase solide à la phase gazeuse lorsque la température monte au-dessus de 0°C. Ceci dit la pression en dessous de cette altitude moyenne monte au-dessus de 6 millibars et dans ces conditions, compte tenu des très fortes dénivellations à la surface de Mars, on peut trouver un peu d’eau liquide dans les basses terres du Nord ou dans le Bassin d’Hellas au Sud (région la plus basse de Mars à – 8 km du Datum en moyenne, pression de 11 millibars maximum) mais les possibilités sont très limitées. Au mieux, dans ces régions privilégiées, elle bout à quelques tout petits degrés au-dessus de 0°C (2° ou 3°C ?) et elle gèle un peu en dessous de 0°C (-10 à -15°C ?) grâce à une très forte salinité (perchlorates). Le résultat de la sublimation quasi générale de l’eau de surface qui tendrait à évoluer en phase liquide à un moment ou un autre de la journée et /ou de l’année, est que Mars est partout aride, les endroits les plus humides étant comparables aux endroits les plus secs du Désert d’Atacama.

Cependant on a pu observer la présence de glace d’eau un peu partout en surface de Mars. D’abord, même depuis la Terre, les deux calottes polaires (glace d’eau au Pôle Nord et au Pôle Sud, glace d’eau et glace carbonique en surface) offrent leurs surfaces réfléchissantes à tout observateur disposant d’un télescope de puissance moyenne. Dans les latitudes élevées, la sonde PHOENIX nous a aussi montré que là où elle s’était posée (68° Nord) la glace était immédiatement accessible (elle a été découverte sous quelques cm de régolite sous la sonde, dégagée par la force de la rétropropulsion lors de l’atterrissage et la pelle de l’engin l’a mise à jour un peu plus loin, sans effort). Ensuite, avec les radars embarqués sur plusieurs orbiteurs (notamment MARSIS de Mars Express, de l’ESA, puis SHARAD – Shalow Radar – à bord de MRO – Mars Reconnaissance Orbiter, de la NASA, qui fonctionne à plus hautes fréquences) on a découvert plusieurs banquises enterrées, même en zone intertropicale (Medusa Fossae), et, en latitudes moyennes de l’hémisphère Nord, entre 40 et 50°, dans l’Ouest d’Utopia Planitia (près d’Isidis Planitia), une vaste région (quelques 375000 km²) de buttes (« mesas ») à forte teneur en eau. En janvier 2018, une étude a mis en évidence l’existence de véritables falaises de glace a des latitudes assez élevées (55°) dans l’hémisphère Sud. Par ailleurs, de petits cratères d’impact créés aux altitudes moyennes dans les basses terres du Nord montrent, à l’occasion, de petites surfaces blanches qui disparaissent dans un temps relativement court ; il s’agit incontestablement de glace d’eau proche de la surface et qui se sublime une fois découverte, plus ou moins vite en fonction de l’importance du volume. Enfin l’analyse radar de SHARAD a révélé une diélectricité faible, comme attendu, se renforçant en profondeur, dans toute la région des basses terres du Nord (zone de basse altitude occupant environ 40% de l’hémisphère Nord et réceptacle probable d’un ancien Océan), ce qui indique la présence d’eau actuelle ou ancienne (porosité du sol après sublimation).

Il y a donc beaucoup de glace d’eau sur Mars, mais ce qui intéresse ceux qui y préparent l’installation de l’Homme (en particulier certaines équipes de la NASA), ce sont les latitudes basses et moyennes de l’hémisphère Nord car ce n’est qu’à ces latitudes que l’on peut envisager d’utiliser le rayonnement solaire pour obtenir de l’énergie (ne serait-ce que complémentaire à l’énergie nucléaire) et éviter des hivers trop rudes et trop longs (sur une année de 630 jours, ils le sont aux latitudes élevées, surtout dans l’hémisphère Sud compte tenu de l’excentricité de l’orbite de la planète !). C’est dans l’hémisphère Nord également que l’on trouve les conditions les plus favorables pour l’atterrissage (vastes plaines lisses et plates d’altitudes basses à proximité de l’équateur et en latitude moyenne, qui impliquent plus de temps disponible pour le freinage, moins de risques de déstabilisation lors du contact au sol, moins de consommation d’énergie car moindre déviation de la trajectoire « naturelle » du vaisseau, qui se place au-dessus de l’équateur par attraction « naturelle » de la planète).

Arcadia Planitia, entre les volcans Elysium Mons à droite et Alba Patera à gauche (au Nord de Tharsis). La ligne de latitude 35°N passe au Nord du premier et au Sud du second. Notez, un peu plus au Sud, Olympus Mons et le bloc de Tharsis avec ses trois volcans alignés. L’endroit serait un excellent site d’atterrissage en raison de cet environnement volcanique et aussi des tunnels, parfois effondrés, résul-tant d’anciens cheminements d’eau souterrains plus au Sud. La carte montre les formes de présence d’eau dans différentes zones (Units) : Zones 1 : couche continue de glace, peu épaisse, à faible profondeur (30 cm) ; Zones 2 : couche discontinue, peu épaisse, à moins de 5 m de profondeur ; Zone 3 : absence de glace à faible profondeur, présence possible au-delà de 5 m ; Zone 4 : possible existence transitoire d’eau liquide en surface (traces d’écoulements sur terrains pentus) ; Zone 5 : absence d’observation ou de suspicion de la présence de glace à moins de 5 m de profondeur.

Or, une étude récente, dirigée par Sylvain Piqueux (CalTech) et publiée dans les « Geophysical Research Letters » en décembre 2019, révèle qu’il existe une vaste région de l’hémisphère Nord au climat acceptable, où cette eau est abondante et serait très facilement accessible.

L’étude de Sylvain Piqueux porte précisément sur ce type de « gisements » des latitudes moyennes de l’hémisphère Nord, qui sont cachés ou qui n’apparaissent qu’en cas d’impacts. Le chercheur a eu l’idée d’utiliser les données de température du sol, collectées par deux instruments embarqués à bord de l’orbiteur 2001 Mars Odyssey, le radiomètre infrarouge MCS (Mars Climate Sounder) et l’imageur THEMIS (Thermal Emission Imaging System) fonctionnant dans le visible et également dans l’infrarouge. Les données ont été accumulées sur une très longue période (plus de 13 ans) et donnent une bonne définition (précision de 3 ppd pour MCS et de 100 mètres par pixel pour THEMIS). La glace d’eau ayant une inertie thermique notablement haute comparée à celle du régolite martien, l’intérêt est que ces données de température du sol indiquent clairement sa présence. Comme écrit dans l’étude, « la glace présente dans le sol influe de façon mesurable sur les tendances saisonnières de la température de surface et la profondeur de la couche d’eau s’exprime dans l’ampleur de l’effet ». En été la glace d’eau absorbe l’énergie du soleil et les températures du sol qui en contient sont donc plus basses que celles du sol qui n’en contient pas. En automne/hiver c’est le contraire, la chaleur est restituée et le sol qui contient de la glace d’eau est moins froid que celui qui n’en contient pas. La réactivité ou plutôt la différence de réactivité du sol est d’autant plus nette que la glace est proche du sol et qu’elle est abondante. Bien entendu le système ne peut fonctionner qu’à une latitude suffisante pour que les différences de température entre les saisons puissent être sensibles (au moins 35°).

Selon ce principe le chercheur a pu dresser avec les données recueillies à deux saisons opposées sur la durée des treize années, une carte de l’hémisphère Nord montrant les zones où ce phénomène se manifestait le mieux. Il en est ressorti une région particulièrement « riche » qui descend jusqu’à 35° de latitude Nord dans le Sud d’Arcadia Planitia, entre les volcans Alba Patera et Elysium Mons. La glace d’eau y est abondante très près de la surface (à partir de seulement 3 cm). Comme le dit l’auteur (et comme la NASA l’a remarqué) cette région est particulièrement intéressante car dans ces conditions la glace pourrait être facilement extraite pour tous les besoins d’une implantation humaine, et cela se combine avec un sol lisse et plat à basse altitude permettant un atterrissage moins difficile qu’ailleurs. Notez bien que cela ne veut pas dire que l’on ne pourrait pas extraire de la glace d’eau ailleurs à la surface de Mars. Cela veut simplement dire que dans cette région, cela serait particulièrement facile.

Ces résultats ont vraisemblablement contribué à crédibiliser le scénario, désormais bien reconnu, d’une mission habitée faisant le plein pour le retour à l’aide d’ergols produits in situ à partir de ressources locales (CO₂ atmosphérique et eau du sol). Mais, surtout, SpaceX a dû y trouver un encouragement pour son projet de mission. Celui-ci implique en effet de produire 1100 tonnes d’ergols (sans compter les pertes au sol) pour le retour de chaque Starship, ce qui conduit à la production d’une tonne d’eau (1000 litres) par jour. Le moyen réaliste pour parvenir à ce débit n’est certainement pas le procédé d’extraction de l’eau du régolite par évaporation/condensation, mais bien le minage de couches de glace massives. SpaceX avait d’ailleurs déjà provoqué il y a quelque temps une discussion sur ce sujet avec les spécialistes de la NASA.

Fait significatif de l’émergence d’un intérêt renforcé pour ce thème de la production d’eau à partir de glace, le MEPAG (Organisme scientifique émettant des recommandations en matière de programmation de la recherche sur Mars) l’a traité lors d’une récente réunion, le 15 avril. Au cours de cette réunion, le directeur NASA du programme d’exploration de Mars a présenté les vues de l’agence sur cette question, insistant sur l’importance critique de la localisation des ressources en glace d’eau pour l’exploration humaine. La NASA a d’ailleurs à l’étude une mission principalement dédiée à cet objectif, dénommée Mars Exploration Ice Mapper, présentée conjointement avec un représentant de l’agence spatiale canadienne.

Les objectifs de la mission Mars Exploration Ice Mapper, présentée aux scientifiques du MEPAG en avril 2020, visent l’acquisition de données sur la cryosphère et les terrains martiens en vue d’optimiser le site d’installation des premiers équipages. (doc. NASA)

L’instrument principal serait un radar à ouverture de synthèse (SAR), permettant un pointage électronique de l’antenne et qui opérerait selon deux modes : balayage latéral et vertical. Quelques valeurs sur les conditions d’acquisition des données :

Cet orbiteur serait aussi chargé de caractériser la consistance superficielle du sol dans les régions d’intérêt, un objectif également lié au projet d’exploration humaine ; en effet, il ne suffit pas que de la glace soit facilement accessible, il faut aussi choisir un site permettant d’assurer un atterrissage dans les meilleures conditions (planéité, absence d’obstacles, solidité, épaisseur de poussière…). Or, si nous avons l’expérience du poser de sondes robotiques de 1 tonne, un vaisseau comme celui imaginé par SpaceX accuserait une masse de l’ordre de 250 tonnes à l’atterrissage, avec une puissance des jets des moteurs de descente en conséquence !

Exemple d’épaisseur relative de couche de glace d’eau à gauche et d’inertie thermique du régolite de surface (TI*, à droite). Carte établie à partir de données recueillies par THEMIS, à l’Ouest d’Arcadia Planitia, où plusieurs cratères exposant de la glace occasionnelle ont été observés. « deep » signifie environ 1 mètre (mais pas plus); « shallow », quelques dizaines de cm. (doc. S. Piqueux, THEMIS, MCT et Geophysical Research Letter).
Référence “Widespread shallow water ice on Mars at high latitudes and mid latitudes” par Sylvain Piqueux et al. in Geophysical Research Let-ters, doi.org/2019GL083947.