Climat de Mars: retour vers le futur

Quelque part sur l'orbite de Mars après 50 millions d'années.

Jusqu'à récemment, le climat des planètes du système solaire était considéré comme presque inchangé: ce n'est qu'en 1920 que Milutin Milankovich a proposé l'idée que les changements dans l' excentricité de l' orbite, l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre et sa précession provoquent un total de changements climatiques cycliques (en fait, des hypothèses similaires ont été faites avant lui, mais le manque de données n'a pas permis de formuler correctement cette règle plus tôt). Cette régularité a été nommée en l'honneur de son auteur - les cycles de Milankovitch . En 1950, Dirk Brauer et Adrianus Van Voerkam ont suggéré que l'excentricité de l'orbite martienne change également avec le temps, entraînant des changements dans son climat. Mais à cette époque, il était impossible de confirmer ou de réfuter - jusqu'au vol de Mars, la première sonde terrestre Mariner-4 est restée encore 15 ans.

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Cependant, même les premières missions de vol ont transmis des images de trop faible qualité pour ouvrir le voile du secret sur cette question. Mais déjà Mariner-9 (qui fut le premier à entrer dans l'orbite martienne parmi les sondes terrestres et y travailla du 14 novembre 1971 au 27 octobre 1972) a réussi à transmettre plus de 7 mille images de qualité décente avec une résolution de 100-1000 mètres par pixel. Pour les fans d'Aelita Alexei Tolstoy et de la Guerre des mondes d' Herbert Wells, la nouvelle était décevante: les chaînes découvertes par Giovanni Schiaparelli sur Mars se sont révélées n'être qu'une illusion d'optique, et Mars elle-même est apparue à l'humanité comme un désert sans vie. Les différences de température sur la planète variaient de -143 ° C aux pôles en hiver à + 35 ° C par une journée ensoleillée à l'équateur en été, et la pression atmosphérique sur la majeure partie de la planète était si basse que la glace d'eau s'est transformée en vapeur et inversement en contournant la phase liquide.


Les premières traces de l'incohérence climatique martienne obtenues par Mariner-9: la structure en couches des calottes polaires clairement visible depuis le coin supérieur droit de l'image jusqu'au centre de sa partie inférieure est clairement visible dans l'image.

Cependant, il y avait une bonne nouvelle: l'appareil a réussi à capturer plus de 70% de la surface martienne, y compris les calottes polaires. Presque aucun cratère n'a été observé sur eux, ce qui témoigne de leur jeune âge (il était estimé à 20 millions d'années). Partout ailleurs, à partir du 80e parallèle et jusqu'aux pôles, une structure en couches a été fixée - cela signifiait que les calottes polaires de Mars n'étaient pas seulement de très jeunes formations, mais aussi périodiquement changées au cours de cette période. La théorie de la variabilité du climat martien a commencé à se confirmer.



Les premières simulations ont donné des changements d'excentricité de l'ordre de 0,004-0,141, ce qui coïncidait presque avec les estimations modernes de 0-0,16. La valeur actuelle de l'excentricité pour Mars est estimée à 0,0934 - c'est toujours une très grande valeur par rapport à 0,0167 sur Terre et elle est juste derrière Mercure. C’est sur la base des observations de Tycho Brahe sur le mouvement de Mars que Johannes Kepler a pu conclure que les orbites des planètes étaient elliptiques plutôt que circulaires, ce qui lui a ensuite permis d'élaborer ses trois fameuses lois .

La cyclicité des changements d'excentricité a également été correctement déterminée par deux périodes de 95 mille et 2 millions d'années (bien qu'en raison de difficultés à mesurer le taux de dépôt de roches dans les calottes polaires de Mars, les erreurs étaient estimées à deux ordres de grandeur). Mais les changements d'inclinaison orbitale ont été mal estimés: en raison de la sous-estimation de l'influence de la précession sur ce paramètre, les premiers calculs des chercheurs n'ont donné que 15-35 ° au lieu du 0-80 ° moderne.


Animation de la précession de l'axe de rotation de la Terre. Sur Mars, il se produit dans la direction opposée.

Malgré le fait que Mars pèse près de 10 fois moins que la Terre, ses cycles prennent beaucoup plus de temps. Pour la Terre, le cycle de précession dure 25800 ans , tandis que pour Mars il atteint jusqu'à 56600 ans (le taux de précession est de 50,3 secondes d'arc pour la Terre et 8,26 secondes d'arc pour Mars, respectivement). L'axe d'inclinaison de la Terre a un cycle de 41 mille ans et Mars en a 124 mille. La précession de l'axe de rotation de la planète entraîne des effets intéressants: le changement progressif de l'axe de rotation de la planète qui lui est associée conduit au fait que le titre d'une étoile "polaire" passe dans le temps de l'une à l'autre. Parallèlement, le début des saisons «dérive» progressivement: sur Terre, ils reculent d'un jour tous les 70,5 ans, et sur Mars, au contraire, ils reculent d'un jour tous les 83,3 ans. Le taux de changement dans ce cas coïncide presque du fait que l'année martienne elle-même est 1,8 fois plus longue que la terre.


Evolution de la calotte polaire sud à partir des images de Mars Global Surveyor .

En raison de l'excentricité élevée de l'orbite martienne, qui coïncide avec l' aphélie (le point le plus éloigné de l'orbite) avec l'hiver dans l'hémisphère sud, le climat dans cet hémisphère est plus sévère et la calotte polaire sud est nettement plus grande que celle du nord. Entre autres caractéristiques intéressantes: la longueur de la journée sur Mars est de 37,4 minutes plus longue que celle de la Terre, mais la séparation sera encore réduite, car la décélération de la rotation de Mars se produit à une vitesse 3 fois inférieure à celle de la Terre, qui est associée à la petite masse des deux satellites de Mars par rapport à notre lune.

1001 simulation des changements de l'inclinaison de l'axe de rotation de Mars.

En 1989, Lascar a constaté que les paramètres des planètes terrestres changent de façon aléatoire (principalement en raison de l'influence des astéroïdes Vest et Ceres se déplaçant de manière aléatoire, qui sont affectés par les objets de la ceinture d'astéroïdes). Cela conduit au fait qu'il est impossible de déterminer avec précision les changements de l'inclinaison de l'axe et de l'excentricité de Mars pendant une période de plus de 10 millions d'années (cette période est appelée temps Lyapunov ), et pendant une période de plus de 50 millions d'années, il devient impossible de déterminer de manière encore plus ou moins précise la distribution statistique de leurs valeurs ( pour la Terre, ces intervalles sont respectivement de 50 et 250 millions d'années). Mais pour des périodes de moins de 10 millions d'années, les caractéristiques des orbites de toutes les planètes du système solaire peuvent être déterminées avec une grande précision.

Les études de ces indicateurs pour d'autres planètes ont également donné des résultats très intéressants : malgré le fait que les paramètres des orbites des planètes géantes ne changent pratiquement pas, leurs excentricités ont fluctué sur Mars et Mercure sur une très large plage. Et pour Mercure, ils étaient si grands qu'ils pouvaient à des intervalles de milliards d'années conduire au fait qu'il pouvait être éjecté du système solaire quand il se rapprocherait de Vénus (cette probabilité était dans le passé et reste à l'avenir). Cela peut aussi nous permettre de jeter un regard différent sur le paradoxe de Fermi (le problème de savoir pourquoi nous ne trouvons pas de traces de vie d'autres étoiles), car pour l'origine de la vie sur la planète, il s'avère qu'elle doit non seulement se former dans la zone habitable de son étoile, mais en même temps être également dans un état quasi stable avec les autres planètes afin de ne pas en sortir.



Mais revenons à Mars. Selon les estimations, l'atmosphère initiale de Mars avait une pression 6 fois supérieure à celle de la Terre actuelle, mais à la suite du bombardement intensif tardif des astéroïdes et des comètes (qui s'est produit il y a 3,8 milliards d'années), Mars en a perdu la majeure partie, maintenant une pression de 0,5-1 l'atmosphère terrestre (500- 1000 mbar ). Mais maintenant, nous observons une pression moyenne à la surface martienne de seulement 6 mbar - où sont passés les autres? Jusqu'à récemment, la principale raison de la perte de l'atmosphère martienne était considérée comme la disparition d'un champ magnétique qui y empêchait le «soufflage» de l'atmosphère sous l'influence du vent solaire.

Mais comme d'autres études l'ont montré, l'absence de champ magnétique ralentit au contraire le rythme de sa fuite: les pertes atmosphériques mesurées par le satellite MAVEN pour les 2 premières années de son fonctionnement ont été en moyenne de 2193 tonnes par an. Même si l'on tient compte du fait que ces mesures ont été effectuées sur une baisse de l'activité du Soleil, et que la valeur moyenne sera plusieurs fois plus élevée, cela n'est pas encore suffisant: les estimations précédentes des scientifiques, basées sur le niveau de pertes de 568 tonnes par an dans le minimum solaire dans les temps modernes, ont donné un général perte de dioxyde de carbone de l'atmosphère de 0,8 à 43 mbar au cours des 3,5 milliards d'années précédentes. Autrement dit, en extrapolant leurs estimations aux données obtenues par MAVEN (qui s'est avéré être 3,86 fois plus élevé), nous obtenons une fuite de 31-166 mbar pour cette période, contre le minimum manquant de 500 mbar.


Changement de la pression atmosphérique au cours de l'année martienne. La différence de témoignage est due au fait que le Viking-2 était situé à 900 mètres sous le niveau moyen de la surface martienne que son homologue Viking-1.

Quels autres suspects sont là? Les plates-formes d'atterrissage vikings ont découvert que le sol martien contient une proportion importante d'argiles de montmorillonite , qui peuvent adsorber une quantité importante de dioxyde de carbone de l'atmosphère. Ainsi, en plus de 4-5 mbar errant de pôle en pôle dans les calottes polaires (selon des données plus récentes, il peut y avoir jusqu'à 85 mbar ) et 6 mbar dans l'atmosphère, on suppose qu'environ 300 mbar de dioxyde de carbone de l'atmosphère a été absorbé par le sol et 130 autres le mbar s'est transformé en carbonates. Les estimations des réserves totales actuelles de dioxyde de carbone sur Mars par divers scientifiques varient dans une fourchette assez large: de ≤200 à ≥450 mbar . Mais auparavant, ils fluctuaient même dans la plage de 200 à 1 000 mbar .

La raison de cette dispersion était notre mauvaise connaissance de la structure interne de la planète rouge. Et maintenant, bien que nous ayons assez bien étudié les calottes polaires de Mars, ainsi que les couches de surface de Mars sur toute sa superficie jusqu'à une profondeur de quelques mètres, notre connaissance de sa structure interne laisse beaucoup à désirer, c'est pourquoi la dispersion des estimations reste encore importante. La plateforme d'atterrissage InSight , qui a atterri sur Mars le 26 novembre, devrait ouvrir le rideau sur cette question. À bord de l'InSight se trouvent un sismomètre sensible et un foret pliable de 5 mètres (dans ce cas, nous n'allons pas effectuer d'analyse chimique du sol, mais mesurer également les propriétés physiques du sol à de telles profondeurs sera un grand pas en avant pour nous).



"Comment tout cela affecte-t-il le climat martien?" - vous pouvez demander. Le point ici est que l'excentricité dépend de la proximité de la planète avec le Soleil et du temps qu'elle passe par révolution dans cette position. Ainsi, l'excentricité affecte le climat de la planète dans son ensemble, et l'inclinaison de l'axe affecte sa distribution latitudinale: lorsque l'axe d'inclinaison de la planète atteint la valeur de 54 °, les pôles de la planète commencent à recevoir la même quantité de lumière solaire que l'équateur. Et avec une nouvelle augmentation de la pente - encore plus que cela. Ainsi, le climat aux pôles devient plus chaud qu'à l'équateur, ce qui conduit à son tour à la fonte de la couche supérieure des calottes polaires constituée de «glace sèche» (dioxyde de carbone gelé). Et comme le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, sa libération provoque un réchauffement sur l'ensemble de la planète.


Graphique des pics de température annuels dans les régions des calottes polaires selon une étude de 2012. Les températures les plus élevées sont surlignées en noir, les moyennes sont rouges et jaunes et les plus basses sont blanches (l'état actuel de Mars est indiqué par le losange). Le rectangle bleu indique l'intervalle de changements dans les paramètres de l'excentricité et de l'inclinaison de la Terre.

Pour l'ensemble des facteurs, les paramètres optimaux pour chauffer Mars sont la valeur moyenne de l'excentricité (0,06-0,08) et la coïncidence du périhélie de l'orbite avec l'équinoxe (0 ° ou 360 °), mais en général ces paramètres ont un effet beaucoup moins important sur le climat. Les valeurs actuelles pour Mars sont de 25,19 ° de l'inclinaison de l'axe, l'excentricité est de 0,0934 et le périhélie est de 286,502 °. L'excentricité de l'orbite de Mars atteint maintenant son apogée à 0,105 (qui devrait atteindre après 24 mille ans), après quoi elle reviendra au taux de 0,002 (qui atteindra après 100 mille ans). Malheureusement, l'inclinaison de Mars est maintenant dans sa phase calme, près du minimum du cycle de 2 millions d'années, et dans un avenir proche ne prévoit pas de dépasser 36 °. Donc, dans un avenir prévisible, Mars devrait rester un désert sans fin.


Le tourbillon de sable capturé par le rover Spirit le 15 mai 2005. Gif affiche le processus de mouvement du vortex en 9,5 minutes (l'intervalle entre les images est d'environ une demi-minute).

Cependant, cela ne signifie pas que le climat de Mars ne changera pas dans un proche avenir. Plus précisément, elle évolue en ce moment: depuis le moment où elle a reçu les dernières informations des Vikings en 1977 jusqu'au moment où elle a reçu les premières données de la sonde Mars Global Surveyor en 1999, la température de la surface martienne a augmenté de 0,86 ° C. Ce processus n'est pas directement lié aux phénomènes décrits ci-dessus - les scientifiques l'ont trouvé dans le changement de l' albédo de Mars (le degré de réflectivité de sa surface), qui, comme il s'est avéré au cours des 22 dernières années, a changé de plus de 10% vers le haut ou vers le bas sur un tiers de la surface martienne.

Ce changement ne prévoit pas de rendre la terraformation de Mars beaucoup plus simple, car selon les estimations préliminaires des scientifiques, il doit augmenter la température de surface jusqu'à 25 ° C - sinon, après avoir supprimé l'influence externe, Mars reviendra à son état froid d'origine. Le changement dans l'albédo de Mars lui-même est très probablement associé aux tempêtes de poussière, et comme on peut le voir sur les photos, la calotte polaire sud ( formée pendant la période de l'année où une tempête de poussière mondiale se produit sur Mars) devient plus `` sale '' que la calotte nord.



Maintenant, ces données sont construites sur seulement deux points dans le temps et il est trop tôt pour parler de modèles. Cependant, les études des cycles de changements d'excentricité et d'inclinaison suggèrent également que le réchauffement climatique se produit actuellement sur Mars, mais à un rythme beaucoup plus faible:


La ligne bleue est la température à laquelle le pergélisol commence à fondre dans le cratère Gale, situé à 5 ° au sud de l'équateur (obtenu par Curiosity ).

Qu'est-ce qui peut nous donner ce petit pic sur la carte, vers lequel nous nous dirigeons maintenant? De manière générale, pas mal. Avec une augmentation de la température moyenne sur Mars, le réchauffement climatique devrait également s'y produire, comme sur Terre: à une pression atmosphérique de 6,1 mbar et une température de 158 ° K, jusqu'à 11 cm³ de dioxyde de carbone par 1 gramme de sol peuvent être adsorbés dans le sol martien, mais à une température à 196 ° K, la saturation se produit déjà à 3,5 cm³ par gramme. Ainsi, le chauffage du sol entraînera la libération de gaz à effet de serre accumulés en son sein. Cependant, en général, à partir de cette petite augmentation de la température moyenne, l'effet lui-même sera insignifiant. De plus, en raison de la conductivité thermique limitée du sol, son chauffage ne se produit pas instantanément, mais à une vitesse d'environ 1 mètre par an, de sorte que ces pics étroits n'ont pas le temps de réchauffer Mars à une profondeur considérable et de provoquer la libération de volumes importants de dioxyde de carbone.


Une suspension de poussière dans l'atmosphère martienne fait de son ciel l'opposé de la terre.

En plus de la libération de gaz du sol, un autre effet d'échauffement est possible: avec une augmentation significative de la pression atmosphérique, les fameuses tempêtes de poussière mondiales de Mars, selon les scientifiques, devraient être annulées. Il devrait également augmenter la température moyenne sur la planète, car ces tempêtes peuvent couvrir la planète entière pendant une période de plusieurs mois terrestres à six mois, reflétant une partie de la lumière dans l'espace. Mais peut-être une conséquence encore plus importante de cela est que, selon une autre étude récente, ces tempêtes sont une source de perchlorates sur Mars, qui en fortes concentrations sont toxiques pour les humains et la plupart des formes de vie sur Terre (y compris les plantes). Ainsi, le réchauffement climatique sur la planète rouge peut directement servir à augmenter la fertilité de son sol. Cependant, cet effet nécessite un réchauffement beaucoup plus important que celui qui sera atteint dans le cycle actuel d'augmentation de la température, donc cela est plus susceptible d'être discuté dans le contexte de la terraformation de Mars, qui sera discuté dans un autre article.



À la fin de l'article, je voudrais inviter tous ceux qui s'intéressent à l'exploration, la colonisation et la terraformation de Mars à s'abonner au groupe de la société martienne sur Facebook et VKontakte , ainsi qu'à rejoindre nos rangs ou à devenir coordinateurs de la société martienne dans les régions pour apporter leur contribution au processus de transformation de la «planète rouge» "En bleu-vert. Pour ce faire, vous pouvez me contacter ou Alexei .