1.3 Relations entre eau et minéraux dans le cadre du climat martien actuel
1.3.3 Echanges d’eau impliquant les minéraux : observations et modèles
Les échanges d’eau impliquant les minéraux ne sont mis en évidence que grâce à un nombre relativement limité de jeux de données. Il est de plus évident que des observations ne sont possibles que pour les échelles de temps les plus courtes. Par contre, un important travail expérimental et de modélisation a été conduit depuis plusieurs décennies afin de mieux cerner le rôle du régolithe dans le cycle de l’eau.
La synthèse bibliographique que je propose dans ce paragraphe est entièrement liée à l’étude de la surface et de l’atmosphère de Mars. La lecture ultérieure de la section 1.2 du chapitre 2 constitue un complément utile car les échanges entre minéraux et atmosphère y sont aborbés d’un point de vue différent, privilégiant l’explication des processus physiques par rapport au contexte martien.
Modèles d’interaction
Le rôle prépondérant des échanges d’eau faisant intervenir le régolithe est envisagé depuis plusieurs décennies. Smoluchowski (1968) discute de la capacité du régolithe à préserver la glace en sous-sol alors qu’elle serait instable en surface en réduisant le taux de diffusion de l’eau vers l’atmosphère. Fanale et Cannon (1971) détaillent les possibilités d’échange d’eau entre le régolithe et l’atmosphère liés à l’équilibre adsorption / désorption à l’échelle des cycles diurnes et saisonniers.
La présence d’eau adsorbée sur les grains du régolithe martien est suggérée par Anderson
et al. (1967) sur la base des températures et des teneurs en vapeur d’eau mesurées dans
l’atmosphère martienne et de la caractérisation expérimentale des propriétés d’adsorption de minéraux silicatés. Par la suite, de nombreuses études expérimentales seront menées à bien afin de déterminer précisément les isothermes d’adsorption de l’eau sur des analogues de sol martien dans les conditions les plus proches possibles de celles qui règnent sur Mars. Les procédures et les résultats de ces mesures sont exposés plus en détail au chapitre 2, section 1. Fanale et Cannon (1974) mesurent les propriétés d’adsorption d’une fine poudre de basalte et démontrent ainsi qu’aux basses températures martiennes, de grandes quantités d’eau se trouvent à l’état adsorbé dans le régolithe. La forme de l’isotherme d’adsorption, les ciné-tiques d’échange rapides et les variations de température sur Mars conduisent les auteurs à conclure que d’une part le régolithe fait partie des grands réservoirs d’eau sur Mars et qu’il est d’autre part un acteur de premier ordre du cycle de l’eau aux échelles diurne et saison-nière ainsi qu’à l’échelle des variations d’obliquité (105 ans). Jakosky (1983a,b) tente pour la première fois de coupler des modèles d’échange incluant le régolithe, les calottes polaires et le transport atmosphérique. L’auteur note l’impossibilité de faire parfaitement correspondre les résultas des modèles physiques simplifiés employés aux données observées. Néanmoins, il met en évidence la nécessité d’introduire un échange d’eau conséquent entre atmosphère et
Relations entre eau et minéraux dans le cadre du climat martien actuel. régolithe afin d’expliquer nombre d’observations. Malgré l’importance des effets du régolithe, ce sont néanmoins les calottes polaires et l’équilibre condensation / sublimation qui jouent le rôle moteur dans le cycle de l’eau. La désorption d’eau depuis le régolithe amplifierait ainsi l’apport de vapeur d’eau dans l’atmosphère martienne engendré par la sublimation de la ca-lotte polaire nord en été (Haberle et Jakosky, 1990). Zent et al. (1993) précisent l’influence d’un grand nombre de paramètres (albédo, inertie thermique, texture du régolithe...) sur le transport de l’eau entre atmosphère et sous-sol.
Savijaervi (1995) puis Jakosky et al. (1997) se penchent sur la variabilité diurne de la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère martienne observée par les atterisseurs et sondes en orbite Viking 1 et 2 (Ryan et al., 1982) et démontrent qu’il est possible d’expliquer les amplitudes des variations observées (facteur 2 à 3 entre jour et nuit) par un échange avec le régolithe. Houben et al. (1997) incluent pour la première fois un modèle d’interaction faisant intervenir le régolithe dans un modèle climatique GCM tridimensionnel (Haberle et al., 1997). A nou-veau, l’adsorption de vapeur d’eau par le régolithe apparaît comme un phénomène majeur dans le cycle de l’eau, seul à même d’expliquer un certain nombre d’observations quant à l’évolution saisonnière de la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Plus récemment, le rôle du régolithe a à nouveau fait l’objet d’études poussées au moyen de modèles GCM par Richardson et Wilson (2002), Montmessin et al. (2004) et Böttger et al. (2005). Les ré-sultats de ces études, largement contradictoires, montrent à quel point le rôle du régolithe est encore loin d’être établi. Ainsi, Richardson et Wilson (2002) comme Montmessin et al. (2004) concluent que le rôle du régolithe reste très modéré dans le cycle de l’eau global. Au contraire, Böttger et al. (2005) affirment qu’un régolithe actif est nécessaire, en particulier pour reproduire la variabilité de la pression partielle en eau à l’échelle des cycles diurnes. Le trop grand nombre d’inconnues dans les processus d’échanges simulés ainsi que la forte paramétrisation des modèles rendent les résultats très dépendants des hypothèses réalisées. Cependant, l’inaptitude actuelle des modèles GCM à isoler le rôle du régolithe ne signifie en aucun cas que ce dernier est négligeable.
Les propriétés de transport d’eau du régolithe interviennent également dans les modalités du transport d’eau entre sous-sol et surface et par conséquent sur les mécanismes de préservation de la glace dans le sous-sol martien (Smoluchowski, 1968). Clifford et Hillel (1983) puis Fanale
et al. (1986) calculent la profondeur à laquelle la glace est stable dans le sous-sol ainsi que
les cinétiques de sublimation et discutent l’influence de plusieurs paramètres sur ces calculs. Mellon et Jakosky (1993) complètent ces études en précisant notamment l’influence de l’albédo et de l’inertie thermique de la surface qui jouent un rôle comparable à celui de la latitude. Les auteurs étudient également le cas d’une obliquité élevée et concluent que la glace serait dans ce cas stable à la surface à toutes les latitudes. Un autre modèle d’échange de vapeur d’eau entre atmosphère et régolithe sera développée par Schorghofer et Aharonson (2005). Les résultats de ce modèle sont comparés aux données de la spectroscopie des neutrons (section précédente) permettant, moyennant certaines hypothèses sur le cycle passé de l’obliquité, de calculer une limite inférieure au flux de diffusion de la vapeur d’eau au travers du régolithe.
Une démarche inverse a également été entreprise pour estimer en laboratoire la diffusivité d’analogues terrestres du régolithe martien à la vapeur d’eau (Chevrier et al., 2007; Hudson
et al., 2007; Chevrier et al., 2008; Bryson et al., 2008). Les valeurs de diffusivité obtenues en
laboratoire sont en général beaucoup plus élevées que les valeurs attendues sur Mars pour expliquer la persistance de glace dans le sous-sol. Des mécanismes capables de diminuer la diffusivité des matériaux d’au moins un ordre de grandeur sont donc à envisager. Récemment, Hudson et Aharonson (JGR, sous presse) ont testé l’effet de plusieurs paramètres (cimentation du sol par des sels, taille des particules, compaction...). Il semble que les valeurs envisagées de ces paramètres à la surface de Mars ne puissent pas permettre de diminuer la diffusivité du régolithe dans les proportions attendues. Il subsiste donc à l’heure actuelle une incom-préhension majeure sur ce point pourtant crucial pour la comincom-préhension du cycle de l’eau actuel.
Observations
Le spectromètre infrarouge TES / MGS a pu mesurer pendant trois années martiennes suc-cessives l’intensité du pic d’émission de l’eau d’hydratation à 6,1 µm. Kuzmin et al. (2006) présentent des cartes globales du pic d’émission de l’eau à différentes saisons. Pour chaque saison, de forts gradients latitudinaux d’hydratation sont observés, positifs en direction des zones polaires. La position en latitude du maximum d’hydratation évolue également avec la saison. Une dissymétrie très forte est mise en évidence entre les deux hémisphères, le régolithe dans l’hémsiphère nord étant toujours beaucoup plus hydraté que dans l’hémisphère sud à saison identique. La figure 1.7, extraite de Kuzmin et al. (2007) montre l’évolution de l’« in-dex spectral de l’eau chimiquement liée »5 en fonction de la latitude sur l’axe vertical et de la saison sur l’axe horizontal. Kuzmin et al. (2007) démontrent également avec les données HEND l’assymétrie manifeste entre les deux hémisphères déjà mise en évidence avec le jeu de données TES.
Le spectromètre imageur OMEGA permet de réaliser des études similaires en utilisant cette fois-ci les bandes d’absorption de l’eau d’hydratation à 1,9 et 3 µm sur les spectres proche-infrarouge en réflectance. Jouglet et al. (2007) présentent des observations OMEGA d’une zone de la surface martienne située entre 30 et 50° Nord et observée successivement au prin-temps puis en été. La surface du régolithe apparaît nettement plus hydratée au prinprin-temps. Jouglet et al. (2008) présentent des mosaïques de données OMEGA dans l’hélisphère sud et notamment autour du pôle. Ils mettent en évidence la forte variabilité latitudinale des bandes d’hydratation et une certaine variabilité temporelle des profondeurs de bandes. Les auteurs insistent néanmoins sur la difficulté d’interpréter ces variations temporelles en raison des mul-tiples effets suceptibles d’influer sur les critères spectraux, en particulier la présence d’aérosols dans l’atmosphère.
Relations entre eau et minéraux dans le cadre du climat martien actuel.
Fig.1.7: Evolution de l’ « index de l’eau chimiquement liée » en fonction de la latitude et de la saison. Extrait de Kuzmin et al. (2007).
La spectroscopie des neutrons apporte également des informations précieuses sur les varia-tions temporelles de la teneur en eau du régolithe. Kuzmin et al. (2007) mettent en évidence des variations saisonnières du flux de neutrons qu’il attribuent à l’adsorption / désorption de vapeur d’eau sur les grains des minéraux du régolithe, au changement d’état d’hydratation de sulfates et au dépôt de givre sur la surface. Les mêmes auteurs estiment également les variations de teneur en eau de la surface du régolithe entre le jour et la nuit à une valeur comprise entre 0,5 et 1,5 %. Les mêmes hypothèses sont avancées pour expliquer cette varia-bilité. Notons cependant que sur la base des propriétés d’adsorption du régolithe proposées par Zent et Quinn (1997); Zent et al. (2001), Kuzmin et al. (2008) considèrent que l’adsorption et la désorption de vapeur d’eau sur les grains sont largement insuffisants pour expliquer les variations de teneur en eau observées. Il sera à nouveau question de ces mesures de propriétés d’adsorption du régolithe aux chapitres 2 et 6.