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Clathrates de CO2 et SO2 sur Mars

Le fait que de l’eau liquide ait du s’écouler à la surface de Mars il y a 3,5-4 milliards d’année, comme en attestent les réseaux de vallées observés dans l’hémisphère sud, ou les grandes vallées débâche suggérant des décharges massives à la surface d’eau stockée en profondeur, reste énigmatique. Actuellement l’atmosphère, principalement constituée de gaz carbonique (CO2), est peu dense (7 mbar, soit moins d’un centième de la pression atmosphérique sur Terre), et la température à la surface (en moyenne -50°C) est beaucoup trop basse pour permettre l’existence d’eau sous la forme liquide. L’eau présente à la surface, ou dans l’atmosphère, l’est sous forme de glace (calottes polaires, givre, nuages de glace d’eau). On a longtemps pensé que la présence sur Mars aux époques primitives d’une atmosphère de CO2 plus dense qu’aujourd’hui (1 bar, la pression actuelle sur Terre, voire plusieurs bars), donc exerçant un fort effet de serre, peut expliquer la présence d’eau liquide dans un passé reculé. Les modèles climatiques très performants développés durant la dernière décennie suggèrent qu’il n’en est rien, et que même sous plusieurs bars de CO2, l’eau n’a pas pu être durablement liquide à la surface. L’effet de serre du dioxyde de soufre (SO2), rejeté par les volcans, très actifs dans les premiers temps de l’évolution planétaire, a paru pouvoir résoudre cette énigme, mais il s’est avéré que la condensation du SO2 en aérosols dans l’atmosphère (phénomène observé après les grandes éruptions volcaniques), augmentant le pouvoir réflecteur de la planète, tend à refroidir la planète, donc à s’opposer à l’effet de serre du SO2 gazeux, le résultat net des deux processus antagonistes étant un refroidissement. Les auteurs confirment cette tendance au refroidissement provoqué par les rejets de soufre volcanique, ce qui appuie l’hypothèse de plus en plus admise par la communauté que le climat moyen de Mars a toujours été froid. Ils montrent par ailleurs qu’à ces températures, le SO2 atmosphérique doit condenser sous la forme de clathrate, structure de glace particulière dans laquelle les molécules atmosphériques, en l’occurrence SO2 et (essentiellement) CO2, sont piégées dans un réseau de cages dont les sommets sont constitués de molécules d’eau. D’autre part, le SO2 s’enrichit d’un facteur 100 par rapport au CO2 lorsque le CO2 et le SO2 atmosphériques forment des clathrates. Dans ces conditions, l’incorporation à la cryosphère martienne de clathrates de CO2-SO2 pompe en quasi-totalité le SO2 atmosphérique. Un tel pompage, opérant durant des centaines de millions d’années, a pu se traduire par le stockage d’énormes quantités de soufre dans la subsurface. Lorsque, pour des raisons non encore élucidées, la pression atmosphérique du CO2 (qui devait être plus importante qu’aujourd’hui : une fraction de bar à plusieurs bars), a baissé et que la planète s’est désertifiée, il y a environ 3,7 milliards d’années, la chute en pression se serait traduite par la sublimation des clathrates, l’injection massive de SO2 dans l’atmosphère, suivies de pluies acides qui aurait donné lieu à la formation, il y a 3,5-3,7 milliards d’années, des bancs de minéraux sulfatés observés par l’instrument OMEGA de la sonde Mars-Express. Cette hypothèse expliquerait la quasi-absence de minéraux sulfates (ainsi que de carbonates) dans les terrains plus anciens, et offre des pistes intéressantes (encore à explorer) pour expliquer des épisodes brefs, sur fond de climat froid, d’épisodes chauds permettant la formation des réseaux de vallées.

Chassefière E., Dartois E., Herri J.M., Schmidt F., Mousis O., Lakhlifi A. (2013). « CO2-SO2 clathrate hydrate formation on early Mars ». Icarus, 223(2):878-891.


Réseaux de vallées martiens observés par la sonde Viking. La zone cartographiée couvre environ 200 km. Ces réseaux évoquent leurs homologues terrestres, produits par l’action de l’écoulement lent d’eau liquide durant de longues périodes de temps. On estime que la quantité d’eau requise pour avoir donné naissance à l’ensemble des réseaux de vallée martiens est de l’ordre du contenu d’un océan d’eau global de 500 m de profondeur (entre 300 et 1000 mètres en tenant compte des incertitudes).