L’atmosphère de Mars pulse en lumière ultraviolette trois fois par nuit

12 août 2020

Source www.star.uliege.be

La sonde spatiale MAVEN de la NASA a pu observer, pour la première fois, de vastes régions du ciel nocturne de mars pulsant en lumière ultraviolette. Ces données, analysées notamment par des chercheurs du STAR Institute de l’ULiège, permettent de mieux comprendre les schémas de circulation complexes dans l’atmosphère martienne.

a sonde spatiale américaine MAVEN, en orbite autour de mars depuis 2015, est la première mission consacrée à la compréhension de la haute atmosphère martienne. L’atmosphère moyenne de Mars comme celles d’autres planètes, présente des variabilités de la luminosité du ciel nocturne (une lueur dans l’atmosphère qui fait que la nuit n’est pas totalement noire). L’instrument IUVS embarqué à bord de la sonde MAVEN, a permis de détecter que ces pulsations avaient lieu exactement trois fois par nuit et ce du printemps à l’automne. Ces nouvelles observations ont également révélé des ondes et des spirales inattendues au-dessus des pôles d'hiver de Mars, confirmant également les résultats du satellite européen Mars Express qui indiquaient que cette lueur nocturne était la plus brillante dans les régions polaires d'hiver.

« Les images de MAVEN offrent les premières informations sur les mouvements atmosphériques dans l'atmosphère moyenne de Mars, une région critique où les courants d'air transportent des gaz entre les couches les plus basses et les plus hautes, explique Nick Schneider, chercheur au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l'Université du Colorado à Boulder et responsable de l'instrument Imaging Ultraviolet Spectrograph (IUVS) à bord de la sonde américaine. » Cet instrument de nouvelle génération est capable de cartographier à plusieurs reprises la lueur nocturne et d’identifier des comportements périodiques tels que ceux observés.

Ces lueurs se produisent là où les vents verticaux transportent les gaz vers des régions de densité plus élevée, accélérant les réactions chimiques qui créent du monoxyde d’azote (NO) et produisent cette lueur ultraviolette. « Cette lueur est due à la recombinaison des atomes d’oxygène et d’azote à une altitude d'environ 70 kilomètres. Ceux-ci sont produits par la dissociation des molécules de dioxyde de carbone (CO₂) et de diazote (N₂) du côté jour par la lumière solaire, commente Jean-Claude Gérard, collaborateur scientifique au LPAP (STAR Institute / Faculté des Sciences) de l’Université de Liège. L’émission se concentre sur une zone d’environ mille kilomètres de diamètre et est aussi brillante dans l'ultraviolet que les aurores boréales que l’on peut observer sur Terre.» Ces taches brillantes s’intensifient chaque nuit après le coucher du soleil et se déplacent dans le ciel martien à une vitesse de 300 km/heure.

MAVEN nightglow animation

Animation réalisée à partir des observations du satellite MAVEN qui montre la luminosité nocturne et les pulsations de Mars. Les fausses couleurs du vert au blanc montrent les intensifications de brillance de la lueur nocturne ultraviolette de Mars mesurée par l’Imageur spectral UltraViolet (IUVS) de MAVEN à environ 70 km d'altitude. Une vue simulée du globe de Mars a été ajoutée numériquement pour le contexte, avec les calottes glaciaires visibles aux pôles. Trois intensifications nocturnes se produisent au cours d’une rotation de Mars, la première beaucoup plus lumineuse que les deux autres. Les trois intensifications se produisent peu de temps après le coucher du soleil, apparaissant sur la gauche de cette vue du côté nuit de la planète. Les pulsations sont causées par des vents descendants qui renforcent la réaction chimique créant le monoxyde d’azote qui provoque la lueur. Plusieurs mois de données ont été moyennés pour identifier ces structures, indiquant qu'elles se répètent tous les soirs. Crédits: NASA/MAVEN/Goddard Space Flight Center/CU/ LASP.

La lueur nocturne martienne avait été observée pour la première fois par l’instrument SPICAM embarqué à bord de l’orbiteur Mars Express de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), qui est toujours en fonctionnement. L’équipe du Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire en avait analysé la distribution verticale et la saisonnalité. « Nous avions montré que l’étude de ces taches brillantes permettrait de mieux comprendre le régime des vents et le rôle du transport des constituants dans l’atmosphère supérieure de la planète », reprend Jean-Claude Gérard.

Ce schéma explique la cause de l’atmosphère nocturne brillante de Mars. Du côté jour de Mars, les molécules de CO₂ et N₂ sont brisées par le rayonnement solaire énergétique. La circulation globale transporte les fragments atomiques vers le côté nuit, où les vents descendants augmentent la vitesse de réaction des atomes pour reformer les molécules. Les vents descendants se produisent près des pôles à certaines saisons et dans les régions équatoriales à d'autres. Les nouvelles molécules contiennent de l'énergie supplémentaire qu'elles émettent sous forme de lumière ultraviolette. Crédits: NASA/MAVEN/Goddard Space Flight Center/CU/LASP.

De nombreuses planètes, y compris la Terre, possèdent une lueur nocturne, mais MAVEN est la première mission à collecter autant d’images de la lueur nocturne d’une autre planète. L'équipe prévoit d’observer l’émission «par la tranche» plutôt que d'en haut, en utilisant des données prises par l'instrument IUVS juste au-dessus du bord de la planète. Cette nouvelle perspective sera utilisée pour comprendre plus précisément les vents verticaux et les changements saisonniers qui s’opèrent sur la petite sœur de la Terre.

Référence scientifique

Imaging of Martian circulation patterns and atmospheric tides through MAVEN/IUVS nightglow observations, N. M. Schneider, Z. Milby, S. K. Jain, F. González-Galindo, E. Royer, J.-C. Gérard, A. Stiepen, J. Deighan, A. I. F. Stewart, F. Forget, F. Lefèvre, S.W. Bougher, Journal of Geophysical Research, Space Physics, 125 (8), 2020, https://doi.org/10.1029/2019JA027318.

Contact

LPAP – Laboratoire de physique atmosphérique et planétaire | STAR Institute | Faculté des Sciences

Jean-Claude GERARD