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Selon une étude publiée le 28 juillet par la revue américaine Sciences, une analyse radar effectuée sous la glace du pôle sud de la planète rouge a révélé l'existence, pour la première fois, d'une étendue de 20 km de large qui pourrait être de l'eau liquide (salée), à 1,5 km sous la surface. Si les chercheurs ont raison, ce serait la première fois qu'est découverte une forme stable d'eau liquide sur Mars.
Selon les premières estimations, qui demandent à être confirmées, il pourrait y avoir de l'eau liquide sous la glace du pôle sud de Mars, sur une étendue de 20 km de large, et se trouvant à environ 1,5 kilomètre sous la surface. La découverte se situe à 81°de latitude Sud (région de Planum Australe), donc tout prêt du pôle géographique actuel de Mars qui est couvert d’une calotte de glace d’eau permanente et d’une couche de gaz carbonique saisonnière.

Cartes de la zone étudiée A) carte en relief ombrée de Planum Autrale, Mars, au sud à 75 ° de latitude sud. La carte a été produite à l'aide des données topographiques MOLA. Le carré noir indique les zones d'étude. B) Mosaïque produite à l'aide d'observations infrarouges par la caméra THEMIS (Thermal Emission Imaging System). La zone se compose principalement de plaines non fertiles, à l'exception de quelques grandes écharpes polaires asymétriques près du bas à droite, ce qui suggère une élimination des dépôts polaires vers l'extérieur.
Cartes de la zone étudiée :
A) Carte en relief ombrée de Planum Autrale, produite à l'aide des données topographiques MOLA. Le carré noir indique les zones d'étude.
B) Mosaïque produite à l'aide d'observations infrarouges par la caméra THEMIS (Thermal Emission Imaging System). La zone se compose principalement de plaines non fertiles, à l'exception de quelques grandes écharpes polaires asymétriques (en bas à droite), ce qui suggère une élimination des dépôts polaires vers l'extérieur.

Des données recueillis via le radar MARSIS

Pour cette étude, les chercheurs ont utilisés les données recueillies par le radar MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding), radar installé sur la sonde Mars Express de l’Agence spatiale Européenne, et qui scrute ce qui se trouve en dessous de la surface martienne. L'équipe s'est appuyée ici sur des relevés réalisés entre 2012 et 2015.

MARSIS est doté de deux antennes qui permettent de capter en même temps les échos provenant du sol et du sous-sol  La technique radar utilisée, « RES » (« Radio Echo Sounding »), consiste à émettre des ondes à basses fréquences et à en récolter les échos(1). Le dispositif fonctionne en analysant le temps que met l’onde radar à revenir à la sonde. Cette onde réagit différemment en fonction des matériaux traversés. En analysant les relevées, et environ 1,5 km sous la couche de glace du pôle sud martien, les chercheurs se sont aperçus que les données récoltées ne collaient pas avec des matériaux comme de la glace, de la roche ou de simples sédiments. Pour eux, les “reflets” anormalement brillants obtenu par le profil radar ne seraient possible qu’en présence d’eau liquide – hypothèse qu’ils ont ensuite confirmé par des calculs de permittivité(1) et des simulations électromagnétiques. Ils en concluent que la “matière” traversée la plus probable est de l’eau liquide.


Profil radar Marsis obtenu près du pôle sud de Mars
Données radar collectées par MARSIS :
A) Radargram pour l'orbite MARSIS 10737, dont la trace au sol est représentée sur la figure précédente (voir B).
Un "radargram" est une section bidimensionnelle codée en couleur constituée d'une suite d'échos dans laquelle l'axe horizontal est la distance le long de la trajectoire au sol de l'engin spatial. L'axe vertical représente le temps de parcours bidirectionnel de l'écho (à partir d'une altitude de référence de 25 km au-dessus du point de référence) et l'éclaircissement (brillance) est une fonction de la puissance de l'écho. La ligne brillante continue dans la partie la plus haute du radargram est l’écho de l’interface de surface, alors que le relecteur inférieur à environ 160 microsecondes correspond au matériau SPLD (South Polar Layered Deposits) /base. De fortes réflexions basales peuvent être observées à certains endroits, où l'interface basale est également plane et parallèle à la surface.
B) Tracé de la puissance d'écho de surface et basale pour le radargram en A.
En rouge est représentée la puissance des échos depuis la surface, en bleu, la puissance des échos sous la surface. L'échelle horizontale est la distance le long du profil, comme dans A, et l'échelle verticale est la puissance non calibrée en décibels. L'écho de base entre le km 45 et 65 le long du profil étudié est plus fort que l'écho de surface même après une atténuation dans le SPLD.
Explications :
Le radar a rencontré deux couches essentielles de réflexion. La première, la plus haute, est la ligne plate de la surface de l’inlandsis (limite entre deux milieux), la plus basse est la ligne moins régulière du socle sur lequel repose l’inlandsis, à 1,4 km en dessous. Entre les deux, on est en présence des couches de dépôts de glace, SPLD (South Polar Layered Deposits) : on en devine plusieurs, correspondent aux changements climatiques qu’a connu la planète et aux limites desquelles a dû se déposer de la poussière. Le contenu de poussière dans la glace vers la surface est de 10 à 20%, la pureté étant beaucoup plus grande vers le socle.

Sur la couche de réflexion inférieure, apparaissent des zones très brillantes, et à certains endroits nettement plus fortes que celle de la couche de réflexion supérieure (haut de l’inlandsis).
En regardant le diagramme du bas de l’illustration (B), la ligne de l’écho reçu de la couche de réflexion inférieure passe au-dessus de la ligne de l’écho reçu de la surface. C’est la brillance de ces segments qui indique, à ces endroits précis, la présence d’eau à l’état liquide. Ces segments s’étendent sur une vingtaine de km dans la zone étudiée (entre le km 45 et km 65). Le substrat est très proche, la profondeur de la poche étant évaluée à quelques dizaines de cm, probablement un mètre. On est donc ici en présence  d’une "anomalie", d’un volume assez étendu mais très peu profonde. La capacité de définition horizontale du radar n’est pas très bonne (en raison des longueurs d’ondes utilisées par MARSIS) surtout là où le signal de retour n’est pas fort et ne permet pas une reconstitution précise de la topographie autour de l’anomalie. La confirmation de la nature aqueuse de ce qui emplit ce volume est donnée par la permittivité diélectrique(1) des couches traversées par le radar (cette permittivité étant un coefficient de pénétration/réflexion de l’onde radar).

De l'eau liquide malgré les températures basses sous la glace ?

Sous cette couche de glace, où règne des températures allant jusqu'à - 68° C, l'eau ne serait pas complètement gelée ?
La phase de l'eau ici dépend d'une part de la pression, mais surtout de la composition de cette eau. Plus elle est salée, plus la température doit être basse pour qu’elle gèle. Ainsi, pour les chercheurs de l'équipe, avec un fort dosage de sels de sodium, de magnésium et de calcium (éléments qui ont été repérés à la surface martienne), l'eau peut effectivement rester liquide(2) à des températures bien en dessous de 0°C.

Les scientifiques restent toutefois prudents : d’autres analyses devront être faites pour confirmer la présence de cette eau liquide salée sous la surface martienne. Si tel est le cas, cette découverte aura de fortes implications pour les futures missions martiennes.
Christophe Jacquemin
puce note Notes
(1) Technique dont on se sert sur Terre pour détecter l’eau liquide sous les couches de glace.
(2) La permittivité (ou plus précisément "permittivité diélectrique"), est une propriété physique qui décrit la réponse d'un milieu donné à un champ électrique appliqué, la  permittivité étant un coefficient de pénétration/réflexion de l’onde radar. Sa valeur est plus élevée pour de l'eau liquide que pour de la glace (et apparaît d'ailleurs plus importante dans cette zone qu'ailleurs sur le reste du globe martien). La glace se laisse pénétrer (permittivité tendant vers zéro), l’eau agit comme un miroir et elle a un coefficient très élevé : l’eau pure peut atteindre 78. Ici le coefficient constaté se situe pour l’essentiel entre 10 et 50 ; C’est évidemment beaucoup plus bas mais très nettement supérieur à celui d’autres éléments (rocheux) possibles (autour de l’anomalie le coefficient va de 4 à 12) [ce qui est d'ailleurs comparable à ce qui a été obtenu sur la Terre pour des poches d’eau liquide sous la glace dans l’Antarctique ou au Groenland]. On peut penser qu'on est ici en présence d'eau impure, c’est-à-dire d'une saumure riche en sels de toutes sortes constatés ailleurs en surface de Mars, notamment en raison de la dissolution des perchlorates de magnésium, de calcium et de sodium observés à une latitude un peu plus basse (68°N) par Phoenix en 2008 (et à une latitude encore plus basse par les autres robots fonctionnant en surface).
(3) L'état liquide s’expliquerait donc ici par une eau riche en saumure, la pression importante résultant de la masse de glace et aussi par la température interne de la planète. La température doit remonter, en descendant de la surface extérieure de la glace jusqu’au contact de l’anomalie, de 160°K (-113°C) aux environ de 205°K (-68°C) alors que le point de glaciation de l’eau, compte tenu des sels dissous, doit se situer entre 198°K et 204°K (-75°C à – 69°C). On se trouve donc, dans l’anomalie, au-dessus de ce seuil de 198°K.
puce note Sources
"Radar evidence of subglacial liquid water on Mars", par R. Orosei, S. E. Lauro, E. Pettinelli, A. Cicchetti, M. Coradini, B. Cosciotti, F. Di Paolo1, E. Flamini, E. Mattei, M. Pajola, F. Soldovieri6, M. Cartacci, F. Cassenti, A. Frigeri, S. Giuppi, R. Martufi, A. Masdea, G. Mitri, C. Nenna, R. Noschese, M. Restano, R. Seu.
Science, 25 juillet 2018
Abstract :
The presence of liquid water at the base of the martian polar caps has long been suspected but not observed. We surveyed the Planum Australe region using the MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) instrument, a low-frequency radar on the Mars Express spacecraft. Radar profiles collected between May 2012 and December 2015 contain evidence of liquid water trapped below the ice of the South Polar Layered Deposits. Anomalously bright subsurface reflections are evident within a well-defined, 20-kilometer-wide zone centered at 193°E, 81°S, which is surrounded by much less reflective areas. Quantitative analysis of the radar signals shows that this bright feature has high relative dielectric permittivity (>15), matching that of water-bearing materials. We interpret this feature as a stable body of liquid water on Mars.

 
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