Déchiffrer les Mystères Majeurs de l'atmosphère de Mars (MCUBE) – MCUBE

Les travaux conduits au sein du projet se basent pour l'essentiel sur les missions orbitales Mars Express et Trace Gas Orbiter qui sont en train de révolutionner notre compréhension du système atmosphérique et climatique martien. Ces deux missions emportent à leur bord des instruments qui ont été développés conjointement par les deux partenaires et dont les données collectées constituent le cœur de l'analyse conduite par les 2 partenaires.
Associée à ces travaux d'analyse, une modélisation théorique tri-dimensionnelle a été entreprise afin de donner une interprétation aux données observées, notamment pour les isotopes de l'eau présente dans l'atmosphère, notamment HDO,
Ainsi, le consortium dispose d'un arsenal «end-to-end« permettant d'analyser en profondeur les données produites par les instruments SPICAM et ACS.
Aucun groupe à l'heure actuelle n'offre une telle exhaustivité dans la capacité d'analyse et de compréhension de l'atmosphère martienne, ce qui a abouti déjà à plusieurs découvertes majeures.

Parmi les plus grands résultats, on peut citer :
-1ère détection du HCl sur Mars, premier gaz halogène repéré dans cette atmosphère et associé à une activité potentielle de la surface (dégazage) que nos observations associent plutôt à des processus chimiques séparant le chlore présent en surface des roches et des grains de poussière ;
-Affirmation que le méthane n’est pas présent à l’échelle globale à un niveau dix fois inférieur à celui rapporté par le rover Curiosity, impliquant une chimie inconnue pour expliquer cette divergence de résultats ;
-Caractérisation de la vapeur d’eau jusqu’à plus de 100 km d’altitude et mise en évidence d’une saison dominante dans la capacité de la vapeur d’eau à se projeter dans une région de l’atmosphère menant à son échappement vers l’espace ;
-Mise en évidence du rôle prépondérant de la photolyse dans la proportion d’atomes de deutérium au sein de la population des atomes d’hydrogène de la très haute atmosphère (cf. article récent sur cette question : theconversation.com/pourquoi-ny-a-t-il-presque-plus-deau-sur-mars-163312).

Les deux missions disposant toujours d'importantes ressources, le projet M3 est assuré d'une production continue de nouvelles données qui seront analysées par le modèle climatique 3D en constante amélioration, y compris une représentation HDO développée par notre équipe.
L'année 2021 a été exceptionnellement riche en publications, tandis qu'une autre série de publications est attendue pour 2022, traitant de considérations importantes pour le climat martien, en particulier la variabilité annuelle des tempêtes de poussière et son impact sur le cycle de l'eau. Plusieurs années martiennes seront couvertes conjointement par Mars Express et Trace Gas Orbiter, ce qui pourrait fournir des informations solides sur les mécanismes les plus profonds contrôlant le sort de l'eau sur Mars, depuis sa production près de la surface jusqu'à son échappement dans l'espace ; un processus qui a probablement façonné au cours des âges l'atmosphère martienne dans la forme que nous connaissons aujourd'hui.

1. Alday J, Trokhimovskiy A, Irwin PGJ, Wilson CF, Montmessin F, et al. 2021. Nat Astron
2. Belyaev DA, Fedorova AA, Trokhimovskiy A, Alday Parejo J, Montmessin F, et al. 2021. Geophys. Res. Let.
3. Braude AS, Ferron S, Montmessin F. 2021. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, p. 107848
4. Chaffin MS, et al. 2021. Nat Astron
5. Chaufray J-Y, et al. 2021. Icarus. 353:113498
6. Fedorova A, Montmessin F, et al. 2021. J Geophys Res Planets. 126(1):
7. Fedorova AA, Montmessin F, et al. 2020. Science. 367(6475):297–300
8. Korablev O, …, Montmessin F, et al. 2021. Sci. Adv. 7(7):eabe4386
9. Lefèvre F, et al. 2021. J Geophys Res Planets
10. Luginin M, Fedorova A, Ignatiev N, Trokhimovskiy A, Shakun A, et al. 2020. J. Geophys. Res. Planets. 125(11):
11. Montmessin F, et al. 2021. A&A
12. Nakagawa H, …, Montmessin F, Yelle RV, et al. 2020a. Geophys. Res. Lett. 47(4):
13. Nakagawa H, …, Montmessin F, et al. 2020b. J. Geophys. Res. Planets. 125(9):
14. Olsen KS, Lefèvre F, Montmessin F, , et al. 2021a. Nat. Geosci. 14(2):67–71
15. Olsen KS, Lefèvre F, Montmessin F, , et al. 2020. A&A. 639:A141
16. Olsen KS, , et al. 2021b. A&A
17. Olsen KS, , et al. 2021c. A&A. 647:A161
18. Perevalov VI, …, Montmessin F. 2021. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 259:107408
19. Piccialli A, Vandaele AC, Trompet L, Neary L, Viscardy S, et al. 2021. Icarus. 353:113598
20. Rossi L, Vals M, Montmessin F, Forget F, Millour E, et al. 2021. Geophys Res Lett. 48(7):
21. Starichenko ED, Belyaev DA, Medvedev AS, Fedorova AA, Korablev OI, et al. 2021.
22. Stcherbinine A, Vincendon M, Montmessin F, Beck P. 2021. Icarus. 369:114627
23. Stcherbinine A, Vincendon M, Montmessin F, Wolff MJ, Korablev O, et al. 2020. J. Geophys. Res. Planets
24. Trokhimovskiy A, Fedorova AA, Olsen KS, Alday J, Korablev OI, et al. 2021. A&A
25. Trokhimovskiy A, Perevalov V, Korablev O, Fedorova AA, Olsen KS, et al. 2020. A&A. 639:A142

L'exploration de Mars est entrée dans son âge d'or à la fin des années 90 avec les missions Mars Pathfinder et Mars Global Surveyor de la NASA, 12 ans après la dernière mission martienne réussie : la courte mission Phobos envoyée par les Soviétiques au milieu des années 80 et la mission Viking au seuil des 80. Depuis, NASA et ESA n'ont cessé d'envoyer des sondes à la surface et autour de Mars, faisant de Mars le corps extraterrestre le plus visité du système solaire. Depuis, Mars a progressivement arboré un nouveau visage grâce aux preuves recueillies d'une réelle activité comme la présence de changements rapides dans le paysage martien, l'apparition de tempêtes de poussière enveloppant toute la planète, ou encore la détection de gaz atmosphériques dont l'origine reste inconnue. Malgré cette exploration intense de Mars, son atmosphère est restée un domaine de recherche où restent beaucoup d'inconnues. Il est largement admis que l'atmosphère martienne ténue d'aujourd'hui n'est qu'un vestige d'une atmosphère auparavant plus dense et probablement plus chaude qui a pu permettre la formation de vastes étendues d'eau liquide pérenne. Cependant, recouvrer l'état de l'atmosphère martienne aux temps primitifs, c'est-à-dire il y a 3 à 4 milliards d'années, qui correspondent aux traces les plus anciennes d'eau liquide à la surface, nécessite une caractérisation et une compréhension complètes des processus qui contrôlent le climat actuel de Mars. Sans cette étape essentielle, toute extrapolation temporelle ne restera qu’un exercice académique laissant derrière lui plus de questions ouvertes que de mystères résolus.
Le projet MCUBE est porté par la volonté de promouvoir l'un des partenariats les plus productifs de la communauté de l'exploration martienne et animé par deux laboratoires en France (LATMOS) et en Russie (IKI). Ces deux laboratoires sont engagés ensemble dans l'exploration spatiale par le biais d'ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) et Mars Express (MEX), les deux missions martiennes dirigées parl'ESA et Roscosmos qui orbitent et fonctionnent actuellement autour de Mars pour examiner la composition et les phénomènes présents dans l'atmosphère et en surface sur Mars. Les 2 laboratoires partagent la responsabilité scientifique d'un spectromètre infrarouge sur chaque mission : Le leader français de M3 est l'investigateur principal (PI) de SPICAM sur MEX, tandis que le leader russe est PI d'ACS sur TGO. Tous deux sont engagés dans un partenariat étroit pour déchiffrer les principales énigmes de l'atmosphère martienne et tenter de répondre aux questions suivantes :
1.Mars est-elle toujours "vivante" ? Y a-t-il des indices avérés d'émissions de gaz d'origine géophysique ou biogénique dans la composition de l'atmosphère, comme le méthane ?
2. Qu'est-ce qui régit le cycle actuel de l'eau sur Mars et celui de HDO, son isotope principal ?
3. Comment les aérosols interagissent-ils et contrôlent-ils le climat de Mars ?
Répondre à ces questions fondamentales est le moteur même du partenariat mis en place au sein de notre consortium et ces réponses, MCUBE y a accès grâce aux instruments (MEX/SPICAM et TGO/ACS) développés et exploités respectivement par le leader français de MCUBE et de son partenaire russe. L'effort scientifique de MCUBE sera partagé par une équipe de chercheurs et d'ingénieurs très expérimentés ainsi que par du personnel non permanent qualifié. La nature même de la coopération existante entre les partenaires français et russes du MCUBE implique une répartition équilibrée et harmonieuse de la charge de travail et de la contribution scientifique et technique. La coopération historique entre le LATMOS et l’IKI donne la garantie que le projet MCUBE permettra de maximiser les bénéfices que la France peut retirer de sa contribution à l'exploration de Mars et à la rendre aussi visible et bénéfique pour la communauté scientifique que possible