L’hémisphère nord de Mars était bien recouvert d’un océan il y a 3,5 milliards d’années

On doit à la sonde de la NasaNasa Mars Global Surveyor (MGS) de nombreuses découvertes et bien sûr de magnifiques images de la surface de Mars qu’elle a prises alors qu’elle était en orbiteorbite autour de la Planète rouge de 1997 à 2006. Elle a fait date parce qu’elle était la première mission martiennemission martienne de la Nasa a vraiment pouvoir reprendre, et en allant beaucoup plus loin, les investigations des énigmes laissées 20 ans auparavant par les orbiters des missions Viking.

Grâce à elles (Viking Orbiter 1 a fonctionné pendant quatre ans et réalisé 1 489 orbites autour de Mars, concluant sa mission le 7 août 1980, tandis que Viking Orbiter 2 a fonctionné jusqu’au 25 juillet 1978), non seulement d’immenses vallées fluviales – parfois s’étendant sur des milliers de kilomètres – sont découvertes, mais on a trouvé également des traces de libération massive et rapide d’énormes volumesvolumes d’eau avec des débitsdébits estimés à dix-mille fois le débit du Mississippi pour certains écoulements.

Les observations fournies permettent alors également la calibration des âges des terrains cratérisés grâce aux datations des roches lunaires ramenées par les missions Apollo (le bombardement météoritique et la taille des impacteursimpacteurs diminuant depuis la fin de la formation du Système solaireSystème solaire il y a presque 4,5 milliards d’années), et ces missions ont permis de constituer un équivalent de la chronologie des ères géologiquesères géologiques sur Terre.

De Mariner 9 à Mars Global Surveyor

Les planétologues vont pouvoir en tirer approximativement trois grandes périodes de l’histoire martienne nommées d’après des endroits sur Mars qui appartiennent à ces périodes. On distingue donc en général et dans l’ordre chronologique depuis la naissance de Mars :

• le Noachien (du nom de Noachis Terra) correspondant aux terrains remontant à plus de 3,7-3,5 milliards d’années, fortement cratérisés et situés majoritairement dans l’hémisphère sudhémisphère sud. Mars ne devait pas encore avoir perdu son atmosphèreatmosphère et elle devait posséder de vastes étendues d’eau liquideliquide ;
• l’Hespérien (du nom d’Hesperia Planum), une période relativement brève de quelques centaines de millions d’années marquée par une forte activité volcanique de la planète et la disparition de son bouclier magnétique, entraînant donc le début de l’érosion de son atmosphère par le vent solaire et le début de la fin de l’existence de l’eau liquide à la surface de Mars  ;
• l’Amazonien (du nom d’Amazonis Planitia) qui, lui, correspond aux terrains de moins de 3,2 milliards d’années très peu cratérisés et situés très majoritairement dans l’hémisphère nordhémisphère nord. Mars est devenue très aride et peu active, avec toutefois quelques épisodes volcaniques mais moins intenses que ceux de l’Hespérien.

Mars Global Surveyor va permettre de reprendre plus précisément l’étude de ces trois grandes périodes de l’histoire de la Planète rouge et notamment dans ce but d’établir une cartographie globale en 3D de sa surface au moyen du Mars Orbiter LaserLaser Altimeter (Mola), en français l’altimètre laser Mars Orbiter.

Aujourd’hui, deux groupes de chercheurs ont publié des articles dans Journal of Geophysical Research: Planets et Nature Geosciences qui permettent de reprendre et de peut-être conclure définitivement un débat qui dure depuis des années quant à l’existence d’un gigantesque océan dans l’hémisphère nord de Mars au moins pendant le Noachien. Ils ont pour cela utilisé de façon nouvelle les données de Mola.

Futura a déjà consacré plusieurs articles à ce débat dont un, tout dernièrement, que l’on peut lire ci-dessous.

La stratigraphie terrienne transposée sur Mars

C’est dans un communiqué récent que l’on peut trouver la substance des nouvelles découvertes faites en utilisant un logiciellogiciel initialement développé pour la géologiegéologie sur Terre par le United States Geological Survey (USGS). On trouve dans ce communiqué les commentaires de Benjamin Cardenas, professeur adjoint de géosciences à Penn State (États-Unis) et auteur principal de l’étude récemment publiée dans le Journal of Geophysical Research: Planets. Il confirme la présence au Noachien d’un grand océan martien à partir de nouvelles cartes topographiques examinant la stratigraphie de la Planète rouge avec ses stratesstrates de dépôts sédimentaires.

Benjamin Cardenas expose d’emblée la conséquence la plus significative de son travail avec ses collègues : « Ce qui vient immédiatement à l’esprit comme l’un des points les plus importants ici, c’est que l’existence d’un océan de cette taille signifie un potentiel de vie plus élevé. Il nous renseigne aussi sur le climatclimat ancien et son évolution. Sur la base de ces découvertes, nous savons qu’il a dû y avoir une période où il faisait assez chaud et où l’atmosphère était assez épaisse pour supporter autant d’eau liquide à la fois.

La grande nouveauté que nous avons faite dans cet article a été de penser à Mars en termes de stratigraphie et d’enregistrement sédimentaire. Sur Terre, nous retraçons l’histoire des voies navigables en examinant les sédimentssédiments qui se déposent au fil du temps. Nous appelons cela la stratigraphie, avec l’idée que l’eau transporte les sédiments et que vous pouvez mesurer les changements sur Terre en comprenant la façon dont les sédiments s’accumulent. C’est ce que nous avons fait ici – mais sur Mars. »

Un ensemble de cartes topographiques récemment publié fournit de nouvelles preuves de l’existence passée d’un ancien océan nordique sur Mars. Benjamin Cardenas, professeur adjoint de géosciences à Penn State, affirme que ces cartes offrent la preuve la plus solide à ce jour selon laquelle la planète a déjà connu une élévation du niveau de la mer compatible avec un climat chaud et humide prolongé. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Penn State University

Techniquement, les chercheurs ont donc utilisé le logiciel de l’USGS pour mettre en évidence dans les données de Mola plus de 6 500 kilomètres de crêtes fluviales représentant probablement des deltas fluviaux érodés ou des ceintures de canaux sous-marinssous-marins ainsi que les vestiges d’un ancien littoral martien vieux d’environ 3,5 milliards d’années. Ces vestiges sont associés à d’importantes accumulations sédimentaires d’au moins 900 mètres d’épaisseur qui couvraient des centaines de milliers de kilomètres carrés, explique le communiqué de Penn State.

Cardenas ajoute que : « Les roches d’Aeolis Dorsa capturent des informations fascinantes sur l’état de l’océan. C’était dynamique. Le niveau de la mer a considérablement augmenté. Des roches se déposaient le long de ses bassins à un rythme rapide. Il y a eu beaucoup de changements ici. »

Ainsi, comme sur Terre, l’évolution de la paléogéographiepaléogéographie permet de déduire de l’épaisseur et de la structure des strates des flux sédimentaires traduisant la dynamique de l’océan martien.

Aeolis Dorsa est une région de Mars qui fait l’objet de plusieurs études depuis des années. Elle est en forme de creux d’environ 500 km de large et 900 km de long, entourée à l’est et à l’ouest par des plaines de deux kilomètres de haut et au sud par des pentes abruptes jusqu’à l’hémisphère sud.

 

---

Mars avait un océan stable à sa surface il y a encore 3 milliards d’années

Article de Frédéric SchmidtFrédéric Schmidt publié le 23 janvier 2022

La planète Mars a abrité de l’eau liquide dans son passé, c’est attesté. Selon une récente étude publiée dans la revue Pnas, une nouvelle découverte fait supposer la présence de suffisamment d’eau pour un océan, il y a 3 milliards d’années. La question de savoir où est passée cette eau demeure entière.

S’il est maintenant admis que le lointain passé de Mars comportait de l’eau liquide, la présence d’un océan aussi récent que 3 milliards d’années semblait impossible. Pourtant, nous venons de publier une étude dans la revue scientifique Pnas qui montre le contraire, en permettant de simuler le système climatique martien de cette époque. À la même période sur Terre, la vie s’est développée pour conquérir un grand nombre d’écosystèmesécosystèmes.

Le climat était vraisemblablement froid sur les continents équatoriaux, mais l’océan polaire a pu rester liquide, comme le montre un certain nombre d’indices géologiques. Dans ce scénario, notre planète sœur aurait aussi pu être largement propice au développement de la Vie avant de devenir la Planète rouge. Un océan stable apporterait l’eau liquide nécessaire à la Vie sur des grandes échelles de temps en tant que solvantsolvant chimique, mais aussi pour protéger des radiations stellaires. Ces conditions semblent nécessaires, mais certainement pas suffisantes et l’apparition de la Vie est une question ouverte de la Science du XXI^e siècle. Il faut rappeler qu’à ce jour, aucune trace de Vie n’a été découverte ailleurs que sur Terre, que ce soit sur Mars ou n’importe où dans l’UniversUnivers.

 

La présence d’eau liquide sur Mars il y a 3,5-4 milliards d’années (à l’ère géologique nommée Noachienne) est attestée par la présence de vallées ramifiées. Ces vallées sont formées par de l’eau liquide, le plus généralement sous forme de pluie ou de fontefonte de neige. L’écoulement de l’eau produit de petites rivières au profil d’érosion en V qui fusionnent pour devenir des rivières plus grandes et ainsi de suite : le paysage final est un réseau de vallées ramifiées, se jetant parfois dans des lacs.

Les vallées glaciaires, quant à elles, sont de formes différentes dues à l’érosion glaciaire massive, au profil en U et moins ramifiées. Pourquoi Mars a pu garder traces de ces processus si lointains dans le temps alors que c’est impossible sur Terre ? Sur Terre, nous avons la tectonique des plaques, qui a rassemblé tous les continents il y a 200 millions d’années en un supercontinentsupercontinent : la PangéePangée. Par conséquent, sur Terre, il est impossible de trouver des paysages plus anciens. Sur Mars, la tectonique des plaquestectonique des plaques n’existe pas et les paysages restent figés en accumulant progressivement les stigmatesstigmates du temps.

Un océan dans l’hémisphère nord de Mars

La présence dans l’hémisphère nord d’un océan polaire est controversée, mais plusieurs équipes ont identifié une ancienne ligne de rivages cohérente. Récemment, une nouvelle découverte a été faite : l’identification de dépôts de mégatsunamis, indiquant indirectement la présence d’un océan, et même l’identification du cratère d’impact à l’origine de ce dépôt. Le cratère de Lomonosov a une forme particulière qui indiquerait sa formation dans un océan. L’âge estimé est de 3 milliards d’années à la fin de l’ère géologique appelée Hesperienne.

 

Comment estimer l’âge d’une surface planétaire ? Les astrogéologues utilisent la méthode de comptage de cratère basée sur un principe très simple : les cratères s’accumulent avec le temps. Une surface ancienne est donc une surface plus cratérisée qu’une surface jeune. Cette méthode donne âge relatif (plus ancien/plus jeune), mais pour avoir un âge absolu, il faut avoir la correspondance entre la densité de cratère et un âge d’exposition. Ce travail-là a pu être fait sur la LuneLune d’après les datations absoluesdatations absolues des échantillons ramenées sur Terre. Pour Mars, un travail de modélisationmodélisation a permis d’établir la correspondance entre densité de cratère et âge absolu.

La controverse scientifique majeure à propos de l’océan martien provient du fait que les précédentes modélisations climatiques ne permettaient pas de simuler un océan stable à cette période : toute l’eau s’accumulait sur les montagnes sous forme de neige. Notre étude publiée dans le journal Pnas, menée en collaboration entre une équipe de l’Université Paris-Saclay/CNRS/GEOPS et du NASA/GISS vient de construire une simulation de climat, comportant deux nouveaux ingrédients essentiels : la circulation océanique et les glaciersglaciers. En ajoutant ces deux processus, ces nouvelles simulations climatiquessimulations climatiques montrent un océan stable dans l’hémisphère Nord, même pour des températures moyennes de Mars inférieures à 0 °C. L’océan, malgré sa position polaire, ne gèle pas grâce aux courants océaniques qui ramènent de l’eau chaude vers les pôles. D’autre part, ces simulations prédisent la présence de glaciers qui ramènent la glace des hauts-plateaux vers l’océan. Ces prédictions sont en accord avec les interprétations géologiques des images qui indiquent la présence de ces vallées glaciaires.

Modéliser le climat de Mars

Simuler le climat de Mars il y a 3 milliards d’années n’est pas une mince affaire. Il faut se munir d’une représentation numériquenumérique du climat, basée sur des principes physico-chimiques, du même type que celles utilisées pour simuler le climat terrestre, mais adaptées à Mars. Il faut tenir compte du fait que d’une part Mars est plus loin du SoleilSoleil que la Terre et reçoit donc moins d’énergieénergie, et que d’autre part le soleil éclairait moins qu’aujourd’hui. Dans ces conditions, l’éclairement solaire de Mars à cette époque est seulement un tiers de ce que reçoit la Terre aujourd’hui.

Pour obtenir des conditions tempérées et de l’eau liquide en surface, le flux solaire plus faible doit être compensé par des gaz à effet de serregaz à effet de serre importants, et une forte densité atmosphérique. Une pression atmosphériquepression atmosphérique de 1 bar (comme sur la Terre actuelle, mais 100 fois plus qu’actuellement sur Mars) est nécessaire pour avoir de l’eau liquide, mais le CO₂ (dominant actuellement sur Mars) n’est pas assez puissant à lui seul pour atteindre le point de fusionfusion de l’eau (0 °C). Un autre gaz à effet de serre puissant est nécessaire : l’équipe scientifique a donc utilisé dans son modèle une atmosphère avec 90 % de CO₂ et 10 % de H2. Ce gaz à effet de serre très puissant aurait pu être relargué par le volcanismevolcanisme intense de l’époque ou le dégazagedégazage lors des impacts météoriques.

Les résultats montrent que le climat continentalclimat continental aurait dû être le suivant : une zone chaude et humide à proximité du rivage, avec des températures moyennes annuellesannuelles supérieures à 0 °C et de la pluie. Une zone froide et sèche avec des températures inférieures à 0 °C sur tous les hauts plateaux de l’hémisphère sud de Mars. Dans cette seconde zone, les montagnes les plus hautes accumulaient de la neige qui se transformait en glacier s’écoulant vers l’océan pour boucler le cycle. Les prédictions de ce climat sont en accord avec la présence de réseaux de vallées ramifiées proches des côtes et la présence de grandes vallées glaciaires issues des zones d’accumulation de neige.

 

L’histoire des éléments volatils (liquide, glace, gaz) sur Mars et de l’eau n’est manifestement pas parfaitement comprise au cours de l’histoire martienne. Quelle est la quantité d’eau disponible au cours du temps ? Sous quelle forme est-elle : glace, liquide, permafrostpermafrost, minérauxminéraux hydratés ? Cette publication scientifique suppose qu’il y avait assez d’eau pour un océan, mais ce qui est arrivé à cette eau par la suite est un grand mystère ! Plusieurs hypothèses peuvent être formulées : l’échappement de l’atmosphère dans l’espace, le stockage souterrain sous forme de glace (permafrost) ou de minéraux hydratés. De toute évidence, l’eau des réservoirs actuels martiens issue des calottes polairescalottes polaires et des glaciers ne suffit pas pour alimenter un océan.

Pour compléter cette étude, nous souhaitons maintenant scruter plus précisément les indices des vallées glaciaires martiennes de cette époque à partir des images satellites. Le rover chinois Zhurong a atterri en mai 2021 dans la région du paléo-océan. Nous nous attendons à trouver des preuves de l’océan dans les roches qu’ils examineront. Prochainement, dans moins d’une dizaine d’années, Mars Ice Mapper, le nouveau projet de mission de la Nasa doté d’un sondeur radar sans précédent, sera capable d’étudier la structure du sous-sol. Cette mission nous donnera sûrement de nouveaux arguments à propos de l’océan martien !

 

---

Sur Mars, un tsunami géant révèle un ancien océan

De nouveaux indices relevés dans un cratère à l’origine d’un immense tsunamitsunami suggèrent la présence d’un océan tardif sur Mars il y a trois milliards d’années seulement. L’impacteur a créé un cratère de 120 kilomètres de diamètre dans un océan peu profond localisé dans l’hémisphère nord de la Planète rouge.

Article publié le 16 juillet 2019, Insu

L’océan sur Mars a toujours fait débat au sein de la communauté scientifique. La recherche d’indices prouvant ou non la présence de cet océan dans son hémisphère nord est un véritable défi pour les astronomesastronomes. L’hypothèse que les plaines du nord furent un jour recouvertes par un océan est renforcée par l’identification du cratère à l’origine d’un méga-tsunami ayant recouvert les paléo-rivages de la région d’Arabia Terra.

Sur la Terre, les cratères marins présents dans les fonds océaniques sont liés à d’ancien mega-tsunamis, comme celui de Chicxulub à l’origine du cataclysme il y a 66 millions d’années, et dont on trouve encore aujourd’hui la trace grâce aux dépôts clairement identifiés le long des paléo-côtes du golfe du Mexique. Ces cratères marins terrestres sont connus pour présenter une morphologiemorphologie bien particulière. Au moment de l’impact dans un océan peu profond, il se forme une cavité transitoire qui va subir des déformations importantes causées par le contexte marin avec des remparts de cratères larges et effondrés, des dépôts importants de sédiments dans le cratère lors du remplissage soudain du cratère par la mer.

C’est en utilisant ces mêmes indices que les géomorphologues François Costard, Antoine Séjourné, Anthony Lagain et Sylvain Bouley, du Laboratoire de géosciences Paris-Sud (Geops, CNRS, Université Paris-Saclay), Karim Kelfoun du Laboratoire magmamagma et volcansvolcans (LMV, OPGC, Université Clermont-Auvergne, CNRS, IRDIRD, CNRS, Université Jean Monnet) et Franck Lavigne du Laboratoire de géographie physiquephysique (LGP, CNRS, Université Panthéon Sorbonne, Université Paris-Est Créteil), ont pu retrouver le cratère Lomonosov (120 kilomètres de diamètre) qui serait à l’origine du gigantesque tsunami.

Un cratère pas comme les autres

C’est à partir d’une approche morphométrique couplant les images de la caméra HRSC de la sonde Mars ExpressMars Express de l’ESA et les données topographiques notamment qu’il a été possible de mettre en évidence le caractère unique du cratère Lomonosov. Celui-ci se différencie des autres cratères par une topographie bien particulière comme les nombreux effondrementseffondrements dans son rempart, des ouvertures le long de ceux-ci, leur déficit en volume et le remplissage en sédiments dans le fond du cratère. Autant d’indices qui ne peuvent s’expliquer que par le contexte marin provoquant l’effondrement de la cavité transitoire au moment de l’impact dans un océan peu profond. Il se trouve que l’âge de ce cratère (par la technique du comptage de cratère) correspond à l’âge des dépôts de tsunamis précédemment identifiés dans la région d’Arabia Terra par cette équipe il y a un an.

On savait que Mars contenait un océan primitifocéan primitif mais la récente identification de ce cratère à l’origine des dépôts de tsunamis suggère qu’un océan était aussi présent bien plus récemment encore, il y a environ trois milliards d’années seulement. Cette conclusion de l’étude qui vient de paraître dans la revue JGR Planets relance le débat de l’existence de cet hypothétique océan et a de fortes implications sur les conditions climatiques qui devaient régner à cette époque.

---

Article de Jean-Luc GoudetJean-Luc Goudet publié le 23 mai 2016

La planète Mars aurait bien eu un vaste océan dans l’hémisphère nord. Il aurait d’ailleurs perduré plus longtemps qu’on ne le pensait jusque-là. C’est ce que semble révéler une preuve originale : les traces de deux raz-de-marée géants dont les vaguesvagues de 120 m de hauteur auraient dévasté les côtes et emporté les rochers loin sur les hauteurs du sud.

Il y a seulement 3,4 milliards d’années, Mars abritait sans doute un océan. Son existence était suspectée mais aucune preuve ne venait étayer cette hypothèse. La présence d’eau liquide, elle, est attestée puisque, notamment, CuriosityCuriosity a visité le lit d’une ancienne rivière. Cependant, la géologie martienne ne montre aucune ligne de rivage qui pourrait témoigner d’un océan martien. Si elle est invisible, c’est parce que la côte a été entièrement détruite par un (et même deux) raz-de-marée, explique une équipe menée par Alexis Rodriguez, du Planetary Science Institute (PSI, Tucson, Arizona, États-Unis). Générées par la chute d’astéroïdesastéroïdes, des vagues géantes de 120 m de hauteur auraient complètement détruit les reliefs côtiers.

L’équipe s’appuie sur des images de plusieurs orbiteurs (Mars OdysseyMars Odyssey, Mars Global Surveyor et Mars Reconnaissance OrbiterMars Reconnaissance Orbiter) au niveau d’une région particulière, qui marque la frontière entre les vastes plaines de l’hémisphère nord, dont l’altitude est basse, et les hauts plateaux de l’hémisphère sud. Dans la région Chryse Planitia, les chercheurs y ont repéré de vastes chenaux chargés de dépôts, de plusieurs centaines de kilomètres de long, et le sens d’écoulement va… du bas vers le haut, comme si d’énormes massesmasses de liquide avaient remonté les pentes et déposé de lourds matériaux. Les zones ainsi inondées représenteraient entre 800.000 et un million de km², avancent les chercheurs dans l’article disponible dans la revue Scientific Reports.

Du temps en plus pour une vie martienne

Selon eux, l’étude montre les traces de deux raz-de-marée géants, survenus à environ trois millions d’années d’écart. Les impacteurs ont dû former des cratères d’environ 30 km de diamètre. Ce genre de collision, à l’époque (la période appelée Hespérien), devait survenir tous les 2,7 millions d’années en moyenne, ce qui incite les auteurs à estimer que d’autres impacts ont dû conduire à des raz-de-marée semblables ou moins gigantesques. Les traces laissées par ces deux évènements sont différentes. Durant le premier, c’est de l’eau liquide qui aurait déferlé vers les hauts plateaux. Le climat de Mars, ensuite, a dû changer et se refroidir car le second raz-de-marée aurait envahi les terres émergées avec un mélange d’eau et de glace. C’est donc un océan couvert d’une banquisebanquise qui recouvrait alors une partie de l’hémisphère nord.

La datation de ces raz-de-marée, en elle-même, surprend, et pose problème. Jusque-là, la présence d’eau liquide à la surface de Mars, formant de larges étendues dans l’hémisphère nord, semblait possible pour une période plus ancienne, s’achevant plutôt vers -3,8 milliards d’années. Si un océan a existé jusqu’à -3,4 milliards d’années, il faut désormais expliquer comment l’atmosphère a pu le maintenir.

Par ailleurs, cette duréedurée plus longue aurait laissé 400 millions d’années de plus à une chimie prébiotiqueprébiotique ou à l’évolution d’êtres vivants sur Mars. Sur Terre, à cette époque, des bactériesbactéries avaient commencé à former les stromatolithesstromatolithes et la photosynthèsephotosynthèse n’allait pas tarder à démarrer, ou l’avait déjà fait. Cette découverte pourrait donc donner des idées pour le choix de sites d’atterrissage de futures missions. Les auteurs, eux, promettent (dans le communiqué du PSI) de partir au Tibet explorer des anciens lacs qui semblent avoir été façonnés par des évènements ressemblant à des raz-de-marée…