Les tempêtes de poussière sur Mars injectent de l'eau en altitude dans l'atmosphère

Aéronomie planétaire
L'un des phénomènes les plus impressionnants sur Mars est la formation d’une tempête encerclant la planète ou "tempête de poussière globale". Une fois qu'elle a commencé, la poussière en suspension dans l'atmosphère couvre l'ensemble du globe pendant plusieurs semaines. Mi- 2018, une de ces tempêtes s'est produite et les mesures de l'instrument Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD) sur l'orbiteur de ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) ont montré une augmentation de la vapeur d'eau dans la haute atmosphère liée à la tempête. Nous utilisons un modèle numérique 3D de l'atmosphère de Mars pour nous aider à étudier les mécanismes de cet événement.

Lien entre les tempêtes de poussière, la vapeur d'eau et l'évolution de l'atmosphère de Mars

Les caractéristiques de la surface de Mars indiquent que de l'eau liquide était présente dans le passé. Des études récentes suggèrent que les tempêtes de poussière globales transportent efficacement la vapeur d'eau de la surface vers l'atmosphère moyenne de Mars. Ce comportement est intéressant en termes d'évolution de la planète, car les molécules d'eau à haute altitude sont plus facilement dissociées par le rayonnement solaire entraînant l’échappement potentiel des atomes les plus légers. L'étude de ce processus peut nous en dire plus sur la façon dont l'atmosphère de Mars a pu changer sur des milliards d'années.

TGO/NOMAD observe les molécules d’eau à haute altitude

De juin à septembre 2018 et en janvier 2019, une forte tempête de poussière globale et une tempête régionale se sont respectivement produites sur Mars. Nous avons analysé les mesures prises à ces périodes par l'instrument NOMAD à bord de TGO actuellement en orbite autour de Mars. L'objectif était d'étudier les profils verticaux de la vapeur d'eau dans l'atmosphère martienne mesurés pendant les tempêtes de poussière.

Une augmentation significative de l'abondance de la vapeur d'eau dans l'atmosphère moyenne (40-100 km) a été identifiée pendant la tempête de poussière globale - la vapeur d'eau a atteint de très hautes altitudes, jusqu'à 100 km. Une augmentation notable a également été constatée pendant la tempête de poussière régionale. Les observations NOMAD/TGO ont fourni une vue sans précédent de cet aspect important de l'atmosphère martienne.

Utilisation de la modélisation numérique pour expliquer les observations

En utilisant un modèle numérique tridimensionnel de l'atmosphère de Mars (GEM-Mars), nous avons découvert que lorsque la poussière de la tempête est transportée jusqu'à des niveaux supérieurs à ~40 km, elle réchauffe l'atmosphère en raison de l'absorption solaire. Cela empêche la formation de nuages de glace vers 40-60 km d’altitude et permet à davantage de vapeur d'eau de monter à des hauteurs plus élevées dans l'atmosphère.

Nous avons effectué plusieurs simulations, en faisant varier la distribution verticale de poussière dans le modèle et avons constaté que la formation de nuages de glace y est très sensible. Des expériences de modélisation numérique comme celles-ci sont cruciales pour l'interprétation et la compréhension des observations faites par NOMAD.

 

Références

  • Aoki, S., Vandaele, A.C., Daerden, F., Villanueva, G.L., Liuzzi, G., Thomas, I.R., Erwin, J.T., Trompet, L., Robert, S., Neary, L., Viscardy, S., Clancy, R.T., Smith, M.D., Lopez‐Valverde, M.A., Hill, B., Ristic, B., Patel, M.R., Bellucci, G., Lopez‐Moreno, J.-J., and the NOMAD team. (2019). Water Vapor Vertical Profiles on Mars in Dust Storms Observed by TGO/NOMAD. Journal of Geophysical Research: Planets, 124(12), 3482-3497. https://doi.org/10.1029/2019JE006109

  • Neary, L., Daerden, F., Aoki, S., Whiteway, J., Clancy, R.T., Smith, M., Viscardy, S., Erwin, J.T., Thomas, I.R., Villanueva, G., Liuzzi, G., Crismani, M., Wolff, M., Lewis, S.R., Holmes, J.A., Patel, M.R., Giuranna, M., Depiesse, C., Piccialli, A., Robert, S., Trompet, L., Willame, Y., Ristic, B., and Vandaele, A.C. (2020). Explanation for the Increase in High‐Altitude Water on Mars Observed by NOMAD During the 2018 Global Dust Storm. Geophysical Research Letters, 47(7), e2019GL084354. https://doi.org/10.1029/2019GL084354 .

Tempête poussière planète Mars
Image de Mars avant le début de la tempête de poussière qui a encerclé la planète (à gauche) et pendant la tempête (à droite). (Crédits : NASA/JPL-Caltech/MSSS)
Mars vapeur d'eau extraits des données NOMAD
Variation latitudinale des profils verticaux de vapeur d'eau extraits des données NOMAD dans la plage saisonnière entre la longitude solaire Ls = 160 -195° (Fig. (a), avant la tempête de poussière globale), Ls = 195-202° (Fig. (b), pendant la phase de croissance de la tempête), Ls = 210-220° (Fig. (c), pendant la phase de maturité de la tempête), Ls = 220-240° (Fig. (d), pendant la phase de décroissance de la tempête), et Ls = 240-260° (Fig. (e), décroissance continue de la tempête). L'unité de quantité de vapeur d'eau est en parties par million (en volume).
Mars model result dust water vapour hydrogen
Les résultats du modèle montrent l'impact de la poussière sur la vapeur d'eau et l'hydrogène. Les figures ci-dessus montrent le rapport de deux simulations : tempête de poussière globale / pas de tempête de poussière, pour la vapeur d'eau (à gauche) et l'hydrogène (à droite). Dans les simulations, la tempête de poussière entraîne une augmentation de la vapeur d'eau d'un facteur supérieur à 150, suivie d'une augmentation de l'hydrogène d'un facteur 40.