I-MIM une mission pour rechercher la glace accessible sur Mars afin de préparer l’arrivée de l’homme

En Août 2022, un « final report » a été remis par un groupe international de chercheurs* pour le compte de plusieurs agences spatiales**, pour réaliser la cartographie et la caractérisation des gisements de glace d’eau facilement accessibles sur Mars (de 0 à 10 mètres en profondeur) ainsi que leur couverture (rochers ou régolithe). Le projet connu comme « International Mars Ice Mapper Measurement Project » (« I-MIM ») a fait l’objet d’une présentation en session plénière à la Convention 2022 de la Mars Society américaine (samedi 22 octobre), par l’un de ces chercheurs, le Dr. Stefano Nerozzi (Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona). Il est prévu pour ce travail de recherche, d’utiliser des moyens robotiques compatibles avec les technologies aujourd’hui disponibles, principalement un orbiteur avec radar. Une mission ayant cet objet pourrait partir pour Mars avant la fin de cette décennie. Elle ne semble pas si difficile à réaliser en termes de masse et de volume et même d’instruments. Elle aura clairement pour objectif de préparer un séjour de longue durée de l’homme sur Mars. Il faut donc souhaiter fortement que les Agences (dont bien sûr la NASA) lui allouent les crédits nécessaires.

*une soixantaine, dont le Professeur Nick Thomas de l’Université de Bern et Valentin Bickel de l’ETHZ, aucun représentant d’université française.  

**Canada, Italie, Japon, Pays-Bas, Etats-Unis

Il n’est pas question de vérifier encore une fois qu’il y a eu de l’eau liquide sur Mars et qu’il y a encore de la glace d’eau dans le sous-sol immédiat (en dehors des pôles, bien sûr). Ceci on le sait depuis longtemps. Il n’est pas question non plus de rechercher l’eau profondément enfouie dans la croûte de la planète. On sait qu’elle existe et le savoir présente un intérêt pour comprendre l’histoire géologique de Mars, qui est exploité par ailleurs. Cette fois-ci les chercheurs se sont orientés sur l’utilisation que les hommes pourront faire de cette eau pour en vivre. D’ailleurs, les régions qui doivent être explorées sont les latitudes basses et moyennes, c’est-à-dire celles où l’on envisage d’atterrir (il est exclu de monter trop haut en latitude pour que les conditions hivernales soient acceptables tant en besoin de chauffage que d’énergie solaire captable continument).

Pour affiner le concept de mission, définir les données à recueillir et les moyens de le faire, les Agences ont constitué une « équipe de définition des mesures », « MDT » (pour « Measurement Definition Team »). Cette MDT a remis son rapport (le « final-report » mentionné ci-dessus) en août 2022 précisant les buts et objectifs de la mission ainsi que sa charge utile principale, un radar polarimétrique à synthèse d’ouverture (SAR), hybride, observant verticalement (Nadir), avec polarisation circulaire à l’émission (angle 40 à 45°, zone couverte d’une trentaine de km de large) et bilatérale linéaire à la réception. La polarimétrie permet la spectrométrie donc l’analyse chimique de la surface réfléchie par les ondes. Ce radar scrutera le sol dans la bande « L » du spectre électromagnétique (930 gigahertz), cette longueur d’onde étant la plus sensible pour détecter et évaluer l’humidité concentrée dans le sol. Le radar (fourni par l’agence italienne – ASI, fonctionnant sur une structure – « bus » – de l’agence japonaise – JAXA) fonctionnera avec une antenne dotée d’un grand réflecteur déployable, (LDR, « Large Deployable Reflector ») d’un diamètre de 6 mètres (voir ci-dessous). Il aura ainsi une capacité de définition bien meilleure que les autres radars déjà envoyés autour de Mars.

Le MDT émet aussi ses recommandations sur les opérations à effectuer pour tirer profit de la découverte des gisements.

Il ne s’agira pas seulement de constater la présence de glace ou les propriétés du manteau rocheux la recouvrant mais aussi d’évaluer si la zone pourra supporter des opérations de surface (notamment l’extraction) ; à quelle profondeur se trouve le socle sous-jacent ; quelle sera la science que l’on pourra effectuer à l’aide de ces gisements. On attend ainsi du radar qu’il puisse donner une image en 3D des gisements et évaluer la pureté de l’eau et ses autres caractéristiques. Rappelons que la surface de Mars est couverte de sels de perchlorates et que l’eau à partir de laquelle la glace s’est formée était très salée (perchlorates et autres) suite à une très forte évaporation/sublimation sur une période très longue. Par ailleurs dans les premiers mètres, il a pu y avoir sublimation par tous les interstices le permettant et il peut donc y avoir beaucoup d’impuretés dans la glace la plus superficielle.

L’orbiteur porteur du radar pourrait arriver vers 2030 et faire ses observations à l’altitude de 255 Km (orbite circulaire) pendant une année martienne (690 jours). Il aura bien sûr une orbite polaire afin de couvrir progressivement toute la surface de la planète. NB : pour comparaison l’ISS évolue autour de la Terre entre 330 et 420 km.

Pendant les premiers 10 mois (période dite de « reconnaissance »), il fera une couverture exhaustive de la surface utile de la planète délimitée par une latitude Nord et une latitude Sud maximum, avec une définition de 30 mètres au sol. Ensuite il reviendra sur les zones les plus intéressantes pour effectuer une étude aussi précise que possible (« detailed characterization ») avec une résolution horizontale de 3 à 30 mètres et une résolution verticale de moins d’un mètre sur plus de 6 mètres de profondeur. C’est nettement supérieur à ce qu’on a pu faire auparavant (la résolution verticale de SHARAD – NASA, à bord de l’orbiteur MRO – est de 8 à 15 mètres, celle de MARSIS – ESA à bord de l’orbiteur Mars Express – de 150 mètres).

Il embarquera des équipements complémentaires, « en synergie », qui pourront profiter du transport et contribuer à l’amélioration de la capacité de la mission à remplir ses objectifs (toujours avec en vue le séjour/établissement de l’homme sur Mars) ou aller un peu plus loin.

Ainsi un sondeur VHF (à très haute fréquence) pourra combler le « gap » entre la zone de précision du radar SAR (celui qui sera embarqué) et la couche qui est actuellement observable par les radars SHARAD ou MARSIS. Le premier évolue entre 250 et 316 km et le second entre 800 à 1200 km de la surface (ce dernier est donc beaucoup moins précis, et SHARAD un peu moins). Pour SHARAD, la couche aveugle est d’une vingtaine de mètres (et il sonde le sol jusqu’à un km de profondeur). La couche aveugle de l’autre radar, MARSIS est un peu plus importante mais sa pénétration peut descendre jusqu’à – 5 km. Le VHF couvrira donc au-delà du SAR, toute la zone exploitable et la zone sous-jacente.

Un imageur à haute résolution (25 cm/pixel) embarqué à bord de la mission I-MIM pourrait par ailleurs permettre de visualiser les sites observés par le radar et aussi les sites visibles directement tels que les cratères récents contenant de la glace d’eau (comme les deux que le sismomètre SEIS de la sonde InSight vient de nous révéler) ou tel que les falaises de glace (« scarps » en Anglais ; on en a déjà identifiée certaines). Sa vision bilatérale (stéréo) pourrait aussi permettre d’affiner la carte topographique MOLA précédemment établie. A noter que la puissance de discernement de la caméra la plus performante actuelle, HiRISE de la NASA (à bord de l’orbiteur MRO), est de 30 cm/pixel et que nous aurons donc une définition un peu améliorée.

Bien entendu les équipements embarqués pourraient aussi collecter des données utiles à d’autres recherches : études géologiques en général (stratigraphie) ; meilleures compréhension des interactions entre atmosphère et surface ; système des vents et leurs effets sur la température ou sur la circulation d’éléments qu’ils peuvent porter (poussière, vapeur d’eau) ; étude de l’ampleur des aurores boréales (pour détecter les champs magnétiques résiduels) ; repérage des sites favorables à l’habitabilité ou à de possibles réactions prébiotiques (outre les gisements de glace, les vides sous la surface correspondant à des cavernes ou les points humides).

Ces études doivent déboucher sur des propositions de sites sur lesquels une implantation humaine pourra être envisagée (quantité de glace adéquate et accessibilité de cette glace notamment sous régolithe et non sous rochers massifs). On recherchera bien sûr un site le plus au Sud possible, dans la zone intertropicale.

L’un des effets annexes de la mission pourrait être l’installation en orbite d’un relai de communication à très forte capacité évoluant de concert avec l’orbiteur I-MIM en très haute altitude (voir illustration de titre). En effet les données recueillies par ce dernier pourraient être très importantes en volume et non transmissibles constamment en direct depuis l’orbiteur. Ce relai pourrait également servir à d’autres missions.

Ce qui manque maintenant c’est le financement et bien sûr, rien n’est gagné. Tout dépendra d’une décision politique, ce qui sera recommandé par la communauté scientifique américaine dans son ensemble et ce qui sera décidé par le Congrès des Etats-Unis. C’est cependant à ma connaissance le projet scientifique (et non seulement ingénieurial) auquel la NASA participe qui soit la plus forte contribution à la concrétisation au projet de l’homme sur Mars (même s’il est bien précisé que la motivation sera la recherche scientifique et non le développement d’une nouvelle branche de l’humanité en dehors de la Terre). Cela pourrait profiter à Mars par rapport à la Lune. En effet, pour l’avenir de l’habitabilité de la planète, l’abondance d’eau accessible est ce qui fera l’une des différences essentielles avec cette dernière (en plus d’une atmosphère non négligeable, de journées de 24h39, d’une gravité plus forte).

On peut remarquer enfin l’absence d’implication de l’ESA, toujours pudiquement en retrait quand il s’agit de missions habitées.

Illustration de titre : évolution dans l’espace proche de Mars, de l’orbiteur I-MIM avec son radar (l’ombrelle) envoyant les données reçues vers son relai de communication vers la Terre, situé sur une orbite plus élevée. vue d’artiste. Crédit NASA.

Lien :

https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/atoms/files/I-MIM_MDT_Final_Report_24_Aug_2022_exec_sum2.pdf

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Index L’appel de Mars 22 10 22

Mars, de la glace d’eau facilement accessible dans une région vivable

On sait depuis longtemps qu’il y a de la glace d’eau sur Mars. Ce que l’on apprend avec une nouvelle étude, dirigée par Sylvain Piqueux (CalTech) et publiée dans les « Geophysical Research Letters » en décembre 2019, c’est qu’il existe une vaste région de l’hémisphère Nord au climat acceptable, où cette eau est abondante et serait très facilement accessible.

L’eau sur Mars 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 liquides, solides et gazeuses. 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 régolithe 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 375.000 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 très faible 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 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).

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 régolithe 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.

Les esprits chagrins doivent s’inquiéter car je n’ai pas encore évoqué la protection planétaire ! Je le fais maintenant pour dire que j’espère que l’objection que les tenants de cette protection pourraient formuler ne sera pas retenue et que je pense qu’elle ne le sera pas. Je considère que la réglementation qui veut tenir l’homme éloigné de l’eau martienne est en contradiction totale avec nos intérêts qui sont d’une part de rechercher sur une autre planète une évolution vers la vie (et on ne trouvera d’éventuelles traces ou manifestations pré-biotiques récentes donc plus facilement observables, que dans les régions les plus humides) et d’autre part de pouvoir subvenir à nos besoins vitaux en eau sans avoir à l’importer de la Terre. Cette réglementation ne résistera pas aux nécessités qui s’imposeront dès que nos vaisseaux spatiaux seront en mesure d’atterrir sur Mars.

Illustration de titre :

Arcadia Planitia, entre les volcans Elysium Mons à gauche et Alba Patera à droite (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, résultant d’anciens cheminements d’eau souterrains plus au Sud. Crédit : Google Mars.

Image ci-dessous:

Exemple d’épaisseur relative de couche de glace d’eau à gauche et d’inertie thermique du régolithe 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 on été observés. « deep » signifie environ 1 mètre (mais pas plus); « shallow », quelques dizaines de cm. Crédit: Sylvain Piqueux, THEMIS, MCT et Geophysical Research Letter.

Références :

“Widespread shallow water ice on Mars at high latitudes and mid latitudes” par Sylvain Piqueux et al. in Geophysical Research Letters, doi.org/2019GL083947.

Liens: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2019GL083947

Autres liens :

https://www.space.com/mars-water-ice-map.html?utm_source=notification

https://www.space.com/42786-where-is-water-on-mars.html

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-treasure-map-for-water-ice-on-mars

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