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Les nuages jouent un rôle fondamental dans la chimie de l'atmosphère martienne. C'est ce que vient de démontrer une équipe internationale dirigée par des chercheurs CNRS du Service d'Aéronomie (CNRS/Universités Pierre et Marie Curie/Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines) et comprenant deux autres équipes INSU-CNRS.
Pour réaliser cette étude, les chercheurs ont introduit, dans un modèle de circulation atmosphérique, la capture des composés hydrogénés HOx à la surface des cristaux de glace des nuages, un processus avéré en laboratoire.
Ils ont ainsi montré que l'on parvient à un accord sans précédent entre la couche d'ozone martienne simulée par le modèle et celle qui a été récemment observée par le spectromètre SPICAM à bord de Mars Express (ESA), et cela à toutes les latitudes et saisons. Ce résultat est publié dans la revue Nature du 21 août 2008.
Distribution de l'ozone calculée au printemps de l'hémisphère nord de Mars
(a)avec la chimie classique ; (b) en présence de nuages de glace
Le panneau de droite est beaucoup plus proche des observations
Sur Terre, on sait que les interactions entre les espèces chimiques gazeuses et les cristaux de glace des nuages jouent un rôle fondamental dans la perte de l'ozone stratosphérique. En effet, ces cristaux de glace transforment les composés chlorés de l'atmosphère en chlore actif susceptible de détruire l'ozone. Or, des nuages de glace sont observés fréquemment dans l'atmosphère de Mars. Les chercheurs ont donc testé l'idée que ces nuages de glace pouvaient capturer et rendre inactifs les radicaux hydrogénés HOx qui normalement détruisent l'ozone martien, un phénomène identifié en laboratoire.
En utilisant un modèle de circulation générale de l'atmosphère qui tient compte de la photochimie, les chercheurs ont montré que, en se limitant à la chimie classique en phase gazeuse, les résultats des simulations ne pouvaient pas expliquer les concentrations d'ozone observées récemment dans l'atmosphère de Mars par le spectromètre SPICAM (1) à bord de Mars Express (ESA).
En tenant compte des processus chimiques qui se développent à la surface des cirrus terrestres ainsi que de la répartition des nuages observée sur Mars (ceinture équatoriale à l'aphélie (2) et brumes polaires en hiver), les scientifiques ont obtenu un accord quantitatif jusqu'à présent inégalé entre la théorie et les observations, et cela à toutes les latitudes et à toutes les saisons de la planète Mars. De plus, ce processus rapproche le modèle des observations de peroxyde d'hydrogène (H2O2) conduites depuis la Terre, ce qui fournit une indication supplémentaire du mécanisme proposé (3).
La capture hétérogène des HOx, mise en évidence par l'ozone, est également importante pour le gaz carbonique (CO2) qui compose 95% de l'atmosphère martienne. On sait en effet que l'atmosphère de Mars doit sa stabilité photochimique aux HOx produits par la destruction de la vapeur d'eau en présence de rayonnement solaire. Par l'intermédiaire de cycles catalytiques similaires à ceux observés sur Terre, les HOx régénèrent en permanence le CO2 à partir de son produit de photodissociation CO. Si ce mécanisme semble qualitativement bien compris, la chimie classique ne parvenait pas à un bilan équilibré entre la perte et la production de CO.
Les résultats obtenus ici apportent la preuve que les nuages jouent un rôle important dans la chimie de l'atmosphère de Mars, dont il faudra désormais tenir compte dans l'étude de sa stabilité et de sa capacité oxydante.
Notes:
(1) Le spectromètre SPICAM (Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars) a été construit sous la responsabilité du Service d'Aéronomie. Il est destiné à la détermination de la composition de l'atmosphère martienne par analyse du rayonnement ultraviolet et infrarouge.
(2)Aphélie: point de l'orbite le plus éloigné du Soleil.
(3) H2O2 a été détecté depuis le sol avec l'Infrared Telescope Facility et le James Clerk Maxwell Telescope à Hawaii. On pense qu'il est le principal oxydant du sol martien. Les données font apparaître une variation de sa quantité en fonction des saisons.
- Source: CNRS
Illustration: CNRS © Service d'aéronomie
Pour réaliser cette étude, les chercheurs ont introduit, dans un modèle de circulation atmosphérique, la capture des composés hydrogénés HOx à la surface des cristaux de glace des nuages, un processus avéré en laboratoire.
Ils ont ainsi montré que l'on parvient à un accord sans précédent entre la couche d'ozone martienne simulée par le modèle et celle qui a été récemment observée par le spectromètre SPICAM à bord de Mars Express (ESA), et cela à toutes les latitudes et saisons. Ce résultat est publié dans la revue Nature du 21 août 2008.
Distribution de l'ozone calculée au printemps de l'hémisphère nord de Mars
(a)avec la chimie classique ; (b) en présence de nuages de glace
Le panneau de droite est beaucoup plus proche des observations
Sur Terre, on sait que les interactions entre les espèces chimiques gazeuses et les cristaux de glace des nuages jouent un rôle fondamental dans la perte de l'ozone stratosphérique. En effet, ces cristaux de glace transforment les composés chlorés de l'atmosphère en chlore actif susceptible de détruire l'ozone. Or, des nuages de glace sont observés fréquemment dans l'atmosphère de Mars. Les chercheurs ont donc testé l'idée que ces nuages de glace pouvaient capturer et rendre inactifs les radicaux hydrogénés HOx qui normalement détruisent l'ozone martien, un phénomène identifié en laboratoire.
En utilisant un modèle de circulation générale de l'atmosphère qui tient compte de la photochimie, les chercheurs ont montré que, en se limitant à la chimie classique en phase gazeuse, les résultats des simulations ne pouvaient pas expliquer les concentrations d'ozone observées récemment dans l'atmosphère de Mars par le spectromètre SPICAM (1) à bord de Mars Express (ESA).
En tenant compte des processus chimiques qui se développent à la surface des cirrus terrestres ainsi que de la répartition des nuages observée sur Mars (ceinture équatoriale à l'aphélie (2) et brumes polaires en hiver), les scientifiques ont obtenu un accord quantitatif jusqu'à présent inégalé entre la théorie et les observations, et cela à toutes les latitudes et à toutes les saisons de la planète Mars. De plus, ce processus rapproche le modèle des observations de peroxyde d'hydrogène (H2O2) conduites depuis la Terre, ce qui fournit une indication supplémentaire du mécanisme proposé (3).
La capture hétérogène des HOx, mise en évidence par l'ozone, est également importante pour le gaz carbonique (CO2) qui compose 95% de l'atmosphère martienne. On sait en effet que l'atmosphère de Mars doit sa stabilité photochimique aux HOx produits par la destruction de la vapeur d'eau en présence de rayonnement solaire. Par l'intermédiaire de cycles catalytiques similaires à ceux observés sur Terre, les HOx régénèrent en permanence le CO2 à partir de son produit de photodissociation CO. Si ce mécanisme semble qualitativement bien compris, la chimie classique ne parvenait pas à un bilan équilibré entre la perte et la production de CO.
Les résultats obtenus ici apportent la preuve que les nuages jouent un rôle important dans la chimie de l'atmosphère de Mars, dont il faudra désormais tenir compte dans l'étude de sa stabilité et de sa capacité oxydante.
Notes:
(1) Le spectromètre SPICAM (Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars) a été construit sous la responsabilité du Service d'Aéronomie. Il est destiné à la détermination de la composition de l'atmosphère martienne par analyse du rayonnement ultraviolet et infrarouge.
(2)Aphélie: point de l'orbite le plus éloigné du Soleil.
(3) H2O2 a été détecté depuis le sol avec l'Infrared Telescope Facility et le James Clerk Maxwell Telescope à Hawaii. On pense qu'il est le principal oxydant du sol martien. Les données font apparaître une variation de sa quantité en fonction des saisons.
- Source: CNRS
Illustration: CNRS © Service d'aéronomie