Une barrière au-dessus de Mars limite le mélange de l'atmosphère

L'atmosphère de Mars est un laboratoire naturel pour l'atmosphère planétaire. La poussière et la vapeur d'eau y interagissent avec la circulation, le climat et la surface. La poussière absorbe et diffuse le rayonnement, ce qui modifie la température et le mouvement de l'air. La vapeur d'eau relie l'atmosphère aux calottes polaires et au bilan hydrique à long terme. Les observations montrent une répartition nettement hétérogène de ces composants à l'échelle de la planète. Aucun mécanisme cohérent ne l'expliquait jusqu'ici.

Une équipe de l'université SUSTech (Southern University of Science and Technology), dans le sud de la Chine, a suivi des particules entraînées par l'écoulement atmosphérique, selon une méthode lagrangienne. Les résultats ont été publiés dans « Nature Geoscience ».

Une barrière au bord de la circulation

La première conclusion concerne le bord même de la circulation planétaire de Hadley, où l'air monte dans la zone équatoriale et redescend aux latitudes plus élevées. Cette frontière forme une barrière dynamique au transport de matière. En 30 jours terrestres, seuls environ 15 % des particules lâchées à l'intérieur de la circulation et environ 20 % de celles lâchées à l'extérieur parviennent à la franchir. Cet état se maintient pendant environ 80 % de l'année martienne. Pendant les quelque 20 % restants, la structure s'affaiblit en deux cellules plus faibles, avec un autre schéma d'isolement.

Une téléconnexion entre les pôles

Le second résultat est encore plus surprenant. Au-dessus de la cellule de Hadley, les auteurs ont trouvé une téléconnexion entre les régions polaires des deux hémisphères. Une particule peut passer en 10 jours terrestres des hautes latitudes de l'hémisphère d'été aux hautes latitudes de l'hémisphère d'hiver. L'analyse dimensionnelle indique que la rotation rapide de Mars permettrait la formation de tourbillons semblables à ceux de la Terre. Mais l'atmosphère raréfiée atteint si vite l'équilibre radiatif que ces tourbillons sont efficacement supprimés. Le transport sur Mars se fait donc principalement le long de l'écoulement moyen, contrairement à la Terre où les tourbillons dominent. Vénus a elle aussi un écoulement moyen, mais sa forte superrotation enferme le transport dans d'étroites bandes de latitude.

Cela a des conséquences concrètes. La séparation de la poussière et de la vapeur d'eau peut freiner la formation des glaces d'eau, et donc modifier le bilan radiatif et le cycle de l'eau. Les composants transformés par photochimie dans les couches supérieures sont acheminés directement au-dessus du pôle d'hiver. Sur une plus longue échelle, un tel schéma favoriserait le dépôt de l'eau et de ses isotopes, par exemple de l'eau semi-lourde, uniquement aux hautes latitudes. L'échappement atmosphérique modifierait en plus les ressources en eau de la planète. Ce n'est pas la fin des questions, mais c'est la première image cohérente de la façon dont une planète à atmosphère fine filtre son propre transport.