Au printemps et en été dans l’hémisphère sud de Mars, une traînée de glace d’eau longue de 1 800 kilomètres apparaît chaque matin à l’ouest d’un volcan géant, puis s’évapore en quelques heures. L’équipe parisienne qui vient de reproduire sa naissance en simulation pense qu’elle se forme selon un mécanisme jamais observé dans l’atmosphère d’une planète.
L’AMEC, pour Arsia Mons Elongated Cloud, est le plus spectaculaire des nuages martiens pour l’Agence spatiale européenne (ESA). Le nuage a été repéré en 2018 sur des images de la sonde Mars Express, et des chercheurs de l’université du Pays basque ont reconstitué son cycle de vie trois ans plus tard. Les planétologues n’arrivaient pas, en revanche, à le faire naître dans leurs simulations. Jorge Hernandez-Bernal, chercheur au Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS, Sorbonne Université), et trois collègues ont fini par le reproduire, dans une étude parue le 7 octobre dans la revue Nature Geoscience. Qu’est-ce que ce nuage, au juste, et pourquoi a-t-il fallu, pour l’expliquer, un processus que les physiciens croyaient impossible dans une vraie atmosphère ?
Un nuage de glace visible seulement le matin
Arsia Mons mesure 20 kilomètres de haut. Sous le vent de ce volcan, un nuage de glace d’eau se forme chaque jour à environ 45 kilomètres d’altitude, puis s’étire vers l’ouest avant de s’évaporer. Le phénomène revient tous les matins pendant plusieurs mois, durant la saison des poussières de l’hémisphère sud. Pour les planétologues, l’AMEC est un nuage orographique. Sur Terre, ce type de nuage se forme au-dessus des montagnes, quand le relief pousse l’air humide vers le haut et qu’il se refroidit en altitude.
Les sondes en orbite autour de Mars en mesure de photographier la planète le matin, seul moment où le nuage est visible, se comptent sur les doigts d'une main. Mars Express et l’orbiteur européen ExoMars TGO sont de celles-là. À l’automne 2018, plusieurs internautes ont d’abord cru voir un panache volcanique au-dessus d’Arsia Mons, et il a fallu la VMC, la caméra de surveillance de Mars Express, pour suivre le nuage dans son ensemble. Sa résolution est modeste, mais son champ de vision est assez large pour cadrer la traînée entière. Avec la nouvelle étude, l’ESA a diffusé ses premières images de l’AMEC prises par la caméra haute résolution HRSC de la sonde, bien plus détaillées.
Des cristaux de glace nés sans poussière
Sur Terre, la vapeur d’eau se condense presque toujours autour d’un grain de sel marin ou de pollen en suspension dans l’air. Sur Mars, ce support est en principe un grain de poussière, et les physiciens parlent de nucléation hétérogène. « Sur Mars, on pensait que le facteur clé était la poussière », a rappelé Jorge Hernandez-Bernal dans la presse espagnole. Avec ce seul processus, son équipe n’obtenait jamais l’AMEC dans ses simulations.
Les chercheurs ont donc ajouté au modèle météorologique martien du LMD la nucléation homogène, où la vapeur se change directement en cristaux de glace, sans support. « C’est un peu comme si des gouttelettes de condensation apparaissaient au milieu d’une pièce, plutôt que sur une fenêtre », a expliqué Jorge Hernandez-Bernal. Ce mécanisme exige une humidité relative plus de 100 000 fois supérieure à celle de notre quotidien, d’après l’ESA. Les physiciens l’envisageaient dans la haute atmosphère de la Terre et de Vénus, sans l’avoir jamais observé.
Si l’équipe a dû recourir à cette physique de manuel, c’est que l’atmosphère martienne, très ténue, et la hauteur d’Arsia Mons réunissent à cet endroit les conditions extrêmes qu’elle exige. Au passage du vent sur le volcan, des poches d’air humide sont soulevées de plusieurs kilomètres en quelques minutes par une onde puissante. La température baisse de 30 degrés en dix minutes, et la vapeur gèle d’un coup en particules de glace. Le nuage simulé n’est pas fidèle en tout point aux images des trois instruments de Mars Express, mais « le résultat est remarquable », estime Jorge Hernandez-Bernal.
Entre la prépublication et la version relue par les pairs, les auteurs ont nuancé leur conclusion. Dans le texte mis en ligne sur arXiv le 29 septembre, la nucléation homogène était « démontrée » sur Mars. Nature Geoscience ne la présente plus que comme « fortement suggérée », et Milena Corcos, chercheuse de l’institut américain NorthWest Research Associates, emploie elle aussi le verbe « suggérer » dans le commentaire qui accompagne l’étude. « Nous n’avions jamais vu ces conditions sur Mars », reconnaît Jorge Hernandez-Bernal, qui ne déduit pour l’instant ces niveaux d’humidité que de son modèle.
Un nuage orographique se forme quand un relief force une masse d’air à monter : en s’élevant, l’air se détend, se refroidit et la vapeur d’eau peut se condenser ou geler. Sur Mars, Arsia Mons agit comme un “déclencheur” en soulevant rapidement de l’air plus humide au-dessus de la surface, ce qui favorise la formation de glace d’eau en altitude. La visibilité surtout matinale s’explique par un équilibre fragile : au lever du Soleil, les conditions de température et de circulation permettent la formation, puis le réchauffement et la baisse d’humidité relative entraînent l’évaporation en quelques heures. Le fait que la traînée s’étire sous le vent vient de la circulation atmosphérique et du transport des particules de glace dans la direction dominante.
La nucléation hétérogène se produit quand la vapeur d’eau se transforme en glace en “s’accrochant” à des particules en suspension (poussières, sels, aérosols), qui servent de noyaux de condensation. La nucléation homogène, elle, ne nécessite aucun support : les molécules d’eau s’organisent directement en cristaux, mais seulement si l’atmosphère est dans un état de sursaturation extrême. En pratique, ce second mécanisme est beaucoup plus difficile à déclencher, car il demande des humidités relatives très au-delà de ce qu’on observe habituellement. Sur Mars, l’enjeu est crucial car la quantité et le rôle des poussières ne suffisent pas toujours à expliquer certains nuages très particuliers.
L’atmosphère martienne est très ténue, ce qui favorise des variations rapides de température et de pression quand l’air est forcé de monter au-dessus d’un relief. Si l’air humide est soulevé brutalement, il peut se refroidir en quelques minutes plus vite que la vapeur d’eau n’a le temps de se déposer sur des poussières, ce qui crée un état de sursaturation. Dans ce contexte, la formation “directe” de glace (nucléation homogène) devient plausible, au moins localement et brièvement. Pour la modélisation, cela signifie qu’un modèle peut rater un phénomène spectaculaire s’il n’inclut que la microphysique classique basée sur les noyaux de poussière. Cela rappelle aussi qu’un résultat de simulation dépend fortement des hypothèses microphysiques et que la validation exige des observations capables de contraindre l’humidité et la taille des particules.
