Chaque planète de notre système solaire interagit avec le flux de particules énergétiques provenant de notre soleil. Souvent appelées «vent solaire», ces particules sont principalement constituées d'électrons, de protons et de particules alpha qui se dirigent constamment vers l'espace interstellaire. Lorsque ce courant entre en contact avec la magnétosphère ou l'atmosphère d'une planète, il forme une région autour d'eux connue sous le nom de «choc d'arc».
Ces régions se forment devant la planète, ralentissant et détournant le vent solaire au fur et à mesure qu'il passe - un peu comme la façon dont l'eau est détournée autour d'un bateau. Dans le cas de Mars, c'est l'ionosphère de la planète qui fournit l'environnement conducteur nécessaire à la formation d'un choc d'arc. Et selon une nouvelle étude d'une équipe de scientifiques européens, le choc de l'arc de Mars se déplace en raison des changements dans l'atmosphère de la planète.
L'étude, intitulée «Variations annuelles de l'emplacement du choc de l'arc martien observé par la mission Mars Express», est parue dans le Journal of Geophysical Letters: Space Physics. Utilisation des données du Mars Express Orbiteur, l'équipe scientifique a cherché à savoir comment et pourquoi l'emplacement du choc de l'arc varie au cours de plusieurs années martiennes, et quels facteurs sont principalement responsables.
Depuis de nombreuses décennies, les astronomes savent que des chocs d'arc se forment en amont d'une planète, où l'interaction entre le vent solaire et la planète fait ralentir les particules énergétiques et les détourner progressivement. Lorsque le vent solaire rencontre la magnétosphère ou l'atmosphère de la planète, une ligne de démarcation nette se forme, qui s'étend autour de la planète dans un arc s'élargissant.
C'est de là que vient le terme choc d'arc, en raison de sa forme distinctive. Dans le cas de Mars, qui n'a pas de champ magnétique global et une atmosphère plutôt mince pour démarrer (moins de 1% de la pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer), c'est la région chargée électriquement de la haute atmosphère (l'ionosphère) qui est responsable de la création du choc d'arc autour de la planète.
Dans le même temps, la taille, la masse et la gravité relativement petites de Mars permettent la formation d'une atmosphère étendue (c'est-à-dire une exosphère). Dans cette partie de l'atmosphère de Mars, les atomes et les molécules gazeuses s'échappent dans l'espace et interagissent directement avec le vent solaire. Au fil des ans, cette atmosphère étendue et le choc de l’arc de Mars ont été observés par plusieurs missions d’orbiteurs, qui ont détecté des variations de la frontière de ce dernier.
On pense que cela est dû à plusieurs facteurs, dont le moindre n'est pas la distance. Parce que Mars a une orbite relativement excentrique (0,0934 par rapport à 0,0167 sur Terre), sa distance par rapport au Soleil varie beaucoup - allant de 206,7 millions de km (128,437 millions de mi; 1,3814 AU) au périhélie à 249,2 millions de km (154,8457 millions de mi; 1,666 AU) à l'aphélie.
Lorsque la planète est plus proche, la pression dynamique du vent solaire contre son atmosphère augmente. Cependant, ce changement de distance coïncide également avec une augmentation de la quantité de rayonnement solaire ultraviolet extrême (EUV) entrant. En conséquence, la vitesse à laquelle les ions et les électrons (aka. Plasma) sont produits dans la haute atmosphère augmente, provoquant une augmentation de la pression thermique qui contrecarre le vent solaire entrant.
Les ions nouvellement créés dans l'atmosphère étendue sont également captés et accélérés par les champs électromagnétiques transportés par le vent solaire. Cela a pour effet de la ralentir et de faire bouger la position de l'arc de Mars. Tout cela est connu pour se produire au cours d'une seule année martienne - ce qui équivaut à 686.971 jours terrestres ou 668.5991 jours martiens (sols).
Cependant, la façon dont il se comporte sur de plus longues périodes est une question qui était auparavant sans réponse. Ainsi, l'équipe de scientifiques européens a consulté les données obtenues par le Mars Express mission sur une période de cinq ans. Ces données ont été prises par l'analyseur de spectromètre électronique (ELAS) ASPAS-3, analyseur de plasma spatial et d'énergies spatiales, que l'équipe a utilisé pour examiner un total de 11 861 croisements de choc d'arc.
Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'en moyenne, le choc de l'arc est plus proche de Mars lorsqu'il est près de l'aphélie (8102 km) et plus loin au périhélie (8984 km). Cela correspond à une variation d'environ 11% pendant l'année martienne, ce qui est assez cohérent avec son excentricité. Cependant, l'équipe a voulu voir lequel (le cas échéant) des mécanismes étudiés précédemment était le principal responsable de ce changement.
À cette fin, l'équipe a considéré les variations de la densité du vent solaire, la force du champ magnétique interplanétaire et l'irradiation solaire comme causes principales - qui diminuent toutes à mesure que la planète s'éloigne du Soleil. Cependant, ils ont découvert que l'emplacement du choc de l'arc semblait plus sensible aux variations de la production de rayons UV extrêmes par le Soleil plutôt qu'aux variations du vent solaire lui-même.
Les variations de la distance de choc de l'arc semblent également être liées à la quantité de poussière dans l'atmosphère martienne. Cela augmente à mesure que Mars approche le périhélie, ce qui fait que l'atmosphère absorbe plus de rayonnement solaire et se réchauffe. Tout comme la façon dont des niveaux accrus d'EUV entraînent une augmentation de la quantité de plasma dans l'ionosphère et l'exosphère, des quantités accrues de poussière semblent agir comme un tampon contre le vent solaire.
Comme Benjamin Hall, chercheur à l'Université de Lancaster au Royaume-Uni et auteur principal du document, l'a déclaré dans un communiqué de presse de l'ESA:
«Il a été précédemment démontré que les tempêtes de poussière interagissent avec la haute atmosphère et l'ionosphère de Mars, il peut donc y avoir un couplage indirect entre les tempêtes de poussière et l'emplacement du choc de l'arc… Cependant, nous ne tirons aucune conclusion supplémentaire sur la façon dont les tempêtes de poussière pourraient directement impact sur l'emplacement du choc de l'arc martien et de laisser une telle enquête à une étude future. "
En fin de compte, Hall et son équipe n’ont pu identifier aucun facteur pour expliquer pourquoi le choc de l’arc de Mars se déplace sur de plus longues périodes. "Il semble probable qu'aucun mécanisme unique ne peut expliquer nos observations, mais plutôt un effet combiné de toutes", a-t-il déclaré. "À ce stade, aucun d'entre eux ne peut être exclu."
Pour l'avenir, Hall et ses collègues espèrent que les futures missions aideront à jeter un éclairage supplémentaire sur les mécanismes derrière la réorientation de Mars. Comme Hall l’a indiqué, cela impliquera probablement «» des enquêtes conjointes Mars Express et trace Gaz Orbiter et la NASA MAVEN mission. Les premières données de MAVEN semblent confirmer les tendances que nous avons découvertes. »
Bien que ce ne soit pas la première analyse qui ait cherché à comprendre comment l'atmosphère de Mars interagit avec le vent solaire, cette analyse particulière était basée sur des données obtenues sur une période beaucoup plus longue que toute étude antérieure. Au final, les multiples missions qui étudient actuellement Mars révèlent beaucoup sur la dynamique atmosphérique de cette planète. Une planète qui, contrairement à la Terre, a un champ magnétique très faible.
Ce que nous apprenons au cours du processus contribuera grandement à garantir que les futures missions d'exploration vers Mars et d'autres planètes qui ont de faibles champs magnétiques (comme Vénus et Mercure) sont sûres et efficaces. Cela pourrait même nous aider un jour à créer des bases permanentes sur ces mondes!
