Lorsque l’été arrive dans l’hémisphère sud de Mars, une «fenêtre» s’ouvre dans son atmosphère à travers laquelle la vapeur d’eau peut monter des couches inférieures de la coquille gazeuse de la planète vers le haut.
Les vents transportent la majeure partie de cette vapeur d'eau vers le pôle nord de Mars, où elle se dépose à la surface sous forme de glace.Cependant, une certaine quantité de vapeur d'eau se décompose encore et disparaît dans l'espace, privant progressivement la planète rouge de réserves d'eau.
Un groupe de scientifiques (Dmitry Shaposhnikov, Alexander Medvedev, Alexander Rodin et Paul Hartog) de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (Institut de physique et de technologie de Moscou, Russie), l'Institut de recherche spatiale de l'Académie russe des sciences (Russie) et le Solar System Research Institute nommé d'après Max Planck (Allemagne) a décrit ce cycle martien inhabituel et la libération d'une partie de la vapeur d'eau dans l'espace dans son étude, présentée dans la revue
Geophysical Research Letters .
Selon des scientifiques, il y a plusieurs millions d'années, Mars était riche en océans, mers et autres sources d'eau. Cependant, pendant tout ce temps, une «pompe» naturelle particulière a fonctionné dans la haute atmosphère de Mars, à l'aide de laquelle la planète rouge a été déshydratée. À ce jour, environ 20% de la quantité d'eau d'origine est restée à la surface de la planète.
Dans leur étude, les scientifiques ont recréé un modèle du processus de perte d'eau par Mars et ont déterminé que ce mécanisme continue de fonctionner et que sa fonctionnalité est similaire à celle d'une pompe. La modélisation informatique de ce mécanisme montre comment la vapeur d'eau surmonte la barrière de l'air froid dans l'atmosphère moyenne de Mars et atteint les couches supérieures. Selon les auteurs des travaux scientifiques, cela aidera à comprendre pourquoi Mars, contrairement à la Terre, a perdu la majeure partie de son eau.
Résumé de l'étudeIl y a des millions d'années, Mars était une planète avec une vaste surface d'eau, des fleuves y coulaient et même les océans faisaient rage. Mais le temps a passé et le mécanisme naturel de la planète a lentement réduit les réserves d'eau, modifiant considérablement la surface de Mars au-delà de toute reconnaissance.
Aujourd'hui, à la surface de Mars, vous pouvez trouver très peu de zones avec de l'eau gelée, et dans l'atmosphère la vapeur d'eau ne se trouve qu'en traces. Ainsi, Mars a peut-être actuellement perdu au moins 80% de son approvisionnement en eau.
La raison de cette perte d'eau globale et à long terme est que dans les couches supérieures de l'atmosphère martienne, le rayonnement ultraviolet solaire décompose les molécules d'eau en hydrogène (H) et en radicaux hydroxyle (OH). Et déjà après ce processus, une volatilisation irréversible de l'hydrogène dans l'espace se produit.
Des mesures utilisant des sondes scientifiques en orbite autour de Mars et des télescopes spatiaux montrent que même à l'heure actuelle, la vapeur d'eau sur Mars continue de se diviser et de quitter la planète de cette façon.
Mais comment et pourquoi était-ce possible?En effet, la couche intermédiaire de l'atmosphère martienne, par analogie avec la tropopause sur Terre, devrait pratiquement bloquer un tel emballement d'hydrogène, car à la hauteur de cette couche, il est généralement déjà si froid que la vapeur d'eau se transforme en glace.
Pour obtenir une réponse à cette question, des chercheurs russes et allemands ont mené une simulation qui a révélé un mécanisme auparavant inconnu ressemblant à une pompe.
Dans leur simulation, les écoulements dans toute l'atmosphère enveloppant Mars sont décrits de manière exhaustive: de la surface de la planète aux couches à une altitude de 160 kilomètres.
Les calculs montrent que la couche moyenne glacée de la coque à gaz devient perméable à la vapeur d'eau deux fois par jour, mais seulement à un certain endroit de la planète et à un certain moment de l'année (à un certain point de l'orbite).
L'orbite de Mars joue un rôle décisif dans ce processus: le trajet de la planète autour du Soleil, qui dure environ deux ans terrestres, est beaucoup plus elliptique que celui de la Terre.
Au point le plus proche du Soleil (coïncidant à peu près avec l'été dans l'hémisphère sud), Mars est environ 42 millions de kilomètres plus proche de lui qu'au point le plus éloigné de l'orbite, de sorte que l'été dans l'hémisphère sud est nettement plus chaud que dans le nord.
Lorsque l'été arrive dans l'hémisphère sud de Mars, à certains moments de la journée, la vapeur d'eau peut localement augmenter avec des masses d'air plus chaudes et atteindre la haute atmosphère.
Là, les courants d'air transportent du gaz vers le pôle Nord, où il se refroidit et se dépose à nouveau. Cependant, une partie de la vapeur d'eau est exclue de ce cycle: sous l'influence du rayonnement solaire, les molécules d'eau se désintègrent et l'hydrogène s'échappe dans l'espace.
Ce cycle hydrologique inhabituel est renforcé par une autre caractéristique de Mars - d'énormes tempêtes de poussière qui couvrent l'ensemble de Mars avec un intervalle de plusieurs années.
Une gigantesque quantité de poussière circulant dans l'atmosphère lors d'une telle tempête facilite le transport de la vapeur d'eau vers la haute atmosphère.
La dernière fois que de telles tempêtes de poussière se sont produites sur Mars en 2007 et 2018, elles ont également été largement documentées par des sondes orbitales.
Les scientifiques estiment que pendant la tempête de poussière de 2007, deux fois plus de vapeur d'eau ont été libérées dans la haute atmosphère de Mars qu'en temps calme pour la planète.
Puisque les particules de poussière absorbent la lumière du soleil et les réchauffent ainsi, la température de l'atmosphère sur Mars augmente.
Reçu par des scientifiques du MIPT et de l'Institut. Le modèle Max Planck avec une précision sans précédent montre comment la poussière dans l'atmosphère affecte les processus microphysiques associés à la conversion de la glace en vapeur d'eau.
Graphiques et applications pour les travaux de recherche:Figure 1. Débit de vapeur vertical
Figure 1. Variations saisonnières de la latitude du flux vertical moyen zonal de vapeur d'eau, modélisées à l'aide de données moyennes sur la quantité de poussière dans l'atmosphère à différentes altitudes: 0, 30, 60, 90, 120 et 150 km. Les valeurs positives (flux ascendants) sont affichées en rouge, les flux négatifs (descendants) sont affichés en bleu.
Ainsi, nous nous intéresserons aux données principalement dans l'intervalle entre Ls = 250◦ et 270◦.
La fuite d'atomes d'hydrogène dans l'espace près de l'exobase varie d'un ordre de
magnitude saisonnière, maximisant autour du solstice d'été du sud (longitude solaire Ls ≈
270◦)Les désignations de la figure 1 et des figures ci-dessous:
ppmv (parties par million en volume) est une unité de concentration en parties par million en volume;
Vapeur d'eau - vapeur d'eau;
Altitude - altitude;
Latitude - latitude;
Ls est la longitude solaire;
MY28 - Année martienne 28 (mesures au cours de la 28e année martienne);
Scénario de base sur la poussière (données moyennes sur la quantité de poussière dans l'atmosphère (basées sur les données de la sonde Mars MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), l'observatoire automatique Hubble, le satellite Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - à partir de l'appareil) Mars Climate Sounder (MCS), instrument PFS - MEX (spectromètre planétaire de Fourier à bord de Mars Express), Mars Global Surveyor);
Tempête de poussière (tempête de poussière) - des données sur la quantité de poussière dans l'atmosphère dans la tempête de poussière MY28 ont été utilisées.
Figure 2. Concentration et température de la vapeur d'eau
Figure 2. Concentration et température de la vapeur d'eau en hauteur et en latitude, modélisées à l'aide de données moyennes sur la quantité de poussière dans l'atmosphère (graphiques dans la colonne de gauche) et l'année de la tempête de poussière MY28 (graphiques dans la colonne de droite), tous les champs sont moyennés sur des zones et sur la période entre Ls = 250◦ et 270◦, où:
a) vapeur d'eau (contours sombres), glace d'eau (contours blancs) et écoulement méridional de vapeur d'eau (lignes avec des flèches dont la couleur et l'épaisseur indiquent la direction verticale et ppmv, respectivement);
(b) les mêmes que dans (a), mais pour une tempête de poussière pendant MY28;
(c) un graphique avec la température du débit d'eau pour le scénario "principal" de poussière;
(d) comme en (c), mais pour le scénario de tempête de poussière pendant MY28, à l'exception des courbes de niveau qui montrent la différence de température entre (d) et (c).
On voit que lors des tempêtes, la concentration de vapeur d'eau dans les couches supérieures est plus importante, et leur température est plus élevée.
Figure 3. La concentration de vapeur d'eau à différentes hauteurs et à différents moments de la journée martienne.Sol est un jour martien. Ils sont légèrement plus longs que terrestres et font 24 heures, 39 minutes, 35 244 secondes. L'année sur Mars est égale à 669,56 "Solam" ou 686,94 jours terrestres.
Figure 3. Distribution altitude-temps des écarts par rapport à la valeur moyenne de la concentration de vapeur d'eau (nuances de couleur ppmv) et de la vitesse verticale (sur les contours, valeurs en m / s), selon les données pour la période entre Ls = 250◦ et 270◦ (coordonnées de mesure - Lat 75S. Lon 0).
Les valeurs positives de la vitesse verticale correspondent à des mouvements ascendants.
a) scénario de poussière «principal»:
(b) comme en (a), mais pour une tempête de poussière pendant la campagne 28:
Comme vous pouvez le voir, dans le deuxième graphique des couches supérieures, il y a plus de fenêtres avec une concentration élevée de vapeur d'eau avec une vitesse verticale positive, qui forment des flux ascendants plus loin dans l'espace.
Figure 4. Cycle annuel de l'eau.
Figure 4. Répartition verticale de la teneur totale en eau (vapeur + glace) obtenue:
a) et c) - jour et nuit selon le dispositif Mars Climate Sounder (MCS) installé sur le dispositif Mars Reconnaissance Orbiter (MRO);
(b) et (d) - jour et nuit selon les données de la simulation de l'étude.
Dans les graphiques de la figure 4 ci-dessus:
- dans l'après-midi - selon les données à 15h00 sur l'heure martienne;
- la nuit - selon les données à 03h00, heure martienne.
Sur tous les graphiques de la figure 4, les valeurs en longitude et latitude ont été moyennées.
Lors du traitement des données pendant la simulation, la moyenne sur les heures locales a été effectuée dans les périodes de 14h00 à 16h00 et de 2h00 à 04h00.
À la fin de leurs travaux de recherche, les auteurs concluent que l'atmosphère de Mars est plus perméable à la vapeur d'eau que terrestre, et le cycle ouvert de l'eau saisonnière contribue de manière significative au fonctionnement continu du mécanisme naturel de la perte de vapeur d'eau par Mars.