Grâce à des décennies d'exploration à l'aide de missions d'orbiteurs robotiques, d'atterrisseurs et de rovers, les scientifiques sont certains qu'il y a des milliards d'années, de l'eau liquide coulait à la surface de Mars. Au-delà de cela, de nombreuses questions demeurent, notamment celle de savoir si le débit d'eau était intermittent ou régulier. En d'autres termes, Mars était-il vraiment un environnement «chaud et humide» il y a des milliards d'années, ou était-il plutôt du type «froid et glacial»?
Ces questions ont persisté en raison de la nature de la surface et de l'atmosphère de Mars, qui offrent des réponses convergentes. Selon une nouvelle étude de l'Université Brown, il semble que les deux pourraient être le cas. Fondamentalement, le début de Mars aurait pu avoir des quantités importantes de glace de surface qui ont subi une fonte périodique, produisant suffisamment d'eau liquide pour creuser les anciennes vallées et lits de lac vus sur la planète aujourd'hui.
L’étude, intitulée «Modèle climatique des hautes terres glacées du Noachian tardif: exploration de la possibilité de fusion transitoire et d’activité fluviale / lacustre par les températures de pointe annuelles et saisonnières», a récemment paru dans Icare. Ashley Palumbo - un doctorat étudiante au Département des sciences de la terre, de l'environnement et des planètes de Brown - a dirigé l'étude et a été rejointe par son professeur superviseur (Jim Head) et le professeur Robin Wordsworth de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées de l'Université Harvard.
Pour leur étude, Palumbo et ses collègues ont cherché à trouver le pont entre la géologie de Mars (qui suggère que la planète était autrefois chaude et humide) et ses modèles atmosphériques, ce qui suggère qu'elle était froide et glaciale. Comme ils l'ont démontré, il est plausible que dans le passé, Mars était généralement gelée par les glaciers. Pendant les températures maximales quotidiennes en été, ces glaciers fondaient sur les bords pour produire de l'eau qui coule.
Après de nombreuses années, ont-ils conclu, ces petits dépôts d'eau de fonte auraient suffi à sculpter les caractéristiques observées à la surface aujourd'hui. Plus particulièrement, ils auraient pu tailler les types de réseaux de vallées qui ont été observés sur les hautes terres du sud de Mars. Comme Palumbo l'a expliqué dans un communiqué de presse de l'Université Brown, leur étude s'est inspirée de dynamiques climatiques similaires qui se produisent ici sur Terre:
«Nous le constatons dans les vallées sèches de l'Antarctique, où la variation saisonnière de la température est suffisante pour former et maintenir des lacs, même si la température annuelle moyenne est bien inférieure à zéro. Nous voulions voir si quelque chose de similaire pourrait être possible pour l'ancien Mars. »
Pour déterminer le lien entre les modèles atmosphériques et les preuves géologiques, Palumbo et son équipe ont commencé avec un modèle climatique de pointe pour Mars. Ce modèle supposait qu'il y a 4 milliards d'années, l'atmosphère était principalement composée de dioxyde de carbone (comme c'est le cas aujourd'hui) et que le rendement du Soleil était beaucoup plus faible qu'aujourd'hui. À partir de ce modèle, ils ont déterminé que Mars était généralement froid et glacial au cours de ses premiers jours.
Cependant, ils comprenaient également un certain nombre de variables qui pouvaient également être présentes sur Mars il y a 4 milliards d'années. Il s'agit notamment de la présence d'une atmosphère plus épaisse, qui aurait permis un effet de serre plus important. Comme les scientifiques ne peuvent pas convenir de la densité de l'atmosphère de Mars il y a entre 4,2 et 3,7 milliards d'années, Palumbo et son équipe ont exécuté les modèles pour prendre en compte divers niveaux plausibles de densité atmosphérique.
Ils ont également considéré les variations de l'orbite de Mars qui auraient pu exister il y a 4 milliards d'années, qui ont également fait l'objet de quelques hypothèses. Ici aussi, ils ont testé un large éventail de scénarios plausibles, qui comprenaient des différences d'inclinaison axiale et différents degrés d'excentricité. Cela aurait affecté la quantité de lumière solaire reçue par un hémisphère sur un autre et entraîné des variations saisonnières de température plus importantes.
En fin de compte, le modèle a produit des scénarios dans lesquels la glace recouvrait des régions proches de l'emplacement des réseaux de vallées dans les hautes terres du sud. Alors que la température annuelle moyenne de la planète dans ces scénarios était bien en dessous de zéro, elle a également produit des températures estivales maximales dans la région qui dépassaient le point de congélation. Il ne restait plus qu'à démontrer que le volume d'eau produit serait suffisant pour creuser ces vallées.
Heureusement, en 2015, le professeur Jim Head et Eliot Rosenberg (un étudiant de premier cycle avec Brown à l'époque) ont créé une étude qui estimait la quantité minimale d'eau requise pour produire la plus grande de ces vallées. En utilisant ces estimations, ainsi que d'autres études qui ont fourni des estimations des débits de ruissellement nécessaires et de la durée de formation du réseau de vallées, Palumbo et ses collègues ont trouvé un scénario dérivé d'un modèle qui fonctionnait.
Fondamentalement, ils ont constaté que si Mars avait une excentricité de 0,17 (par rapport à son excentricité actuelle de 0,0934) une inclinaison axiale de 25 ° (par rapport à 25,19 ° aujourd'hui), et une pression atmosphérique de 600 mbar (100 fois ce qu'elle est aujourd'hui) il aurait alors fallu environ 33 000 à 1 083 000 ans pour produire suffisamment d'eau de fonte pour former les réseaux de vallées. Mais en supposant une orbite circulaire, une tuile axiale de 25 ° et une atmosphère de 1000 mbar, cela aurait pris environ 21 000 à 550 000 ans.
Les degrés d'excentricité et d'inclinaison axiale requis dans ces scénarios se situent bien dans la plage des orbites possibles pour Mars il y a 4 milliards d'années. Et comme Head l'a indiqué, cette étude pourrait concilier les preuves atmosphériques et géologiques qui étaient en désaccord par le passé:
«Ce travail ajoute une hypothèse plausible pour expliquer la façon dont l'eau liquide aurait pu se former au début de Mars, d'une manière similaire à la fonte saisonnière qui produit les ruisseaux et les lacs que nous observons lors de notre travail sur le terrain dans les vallées sèches antarctiques de McMurdo. Nous explorons actuellement d'autres mécanismes de réchauffement candidats, y compris le volcanisme et la cratérisation par impact, qui pourraient également contribuer à la fonte d'un début de Mars froid et glacial. »
Il est également significatif en ce qu'il démontre que le climat de Mars était soumis à des variations qui se produisent également régulièrement ici sur Terre. Cela donne une autre indication de la façon dont nos deux avions sont similaires à certains égards, et comment la recherche de l'un peut aider à faire progresser notre compréhension de l'autre. Enfin et surtout, il offre une synthèse à un sujet qui a produit une bonne part de désaccord.
Le sujet de la façon dont Mars aurait pu connaître de l'eau chaude et coulante à sa surface - et à une époque où la puissance du Soleil était beaucoup plus faible qu'aujourd'hui - est resté l'objet de nombreux débats. Ces dernières années, les chercheurs ont avancé diverses suggestions sur la façon dont la planète aurait pu être réchauffée, allant des nuages de cirrus aux éclats périodiques de méthane sous la surface.
Bien que cette dernière étude n'ait pas tout à fait réglé le débat entre les camps «chauds et aqueux» et les camps «froids et glacés», elle offre des preuves convaincantes que les deux ne s'excluent pas mutuellement. L'étude a également fait l'objet d'une présentation lors de la 48e conférence scientifique lunaire et planétaire, qui s'est tenue du 20 au 24 mars à The Woodland, au Texas.
