L'orbiteur d'étude des gaz à l'état de traces (TGO) d’ExoMars, la mission conjointe ESA-Roscosmos, est arrivé en octobre 2016 à proximité de la planète rouge, avant de passer plus d’un an à effectuer un aérofreinage qui lui a permis d’atteindre son orbite scientifique, qui dure deux heures, environ 400km au-dessus de la surface de Mars.

Un troisième article, soumis à Proceedings of the Russian Academy of Science , présente la carte la plus détaillée jamais produite de la glace d’eau ou des minéraux hydratés présents à faible profondeur sous la surface de Mars.

Cela a permis de déterminer la distribution verticale de la vapeur d’eau et de l’eau «semi-lourde» (dont un atome d’hydrogène est remplacé par un atome de deutérium, une forme d’hydrogène avec un neutron supplémentaire) depuis la proximité de la surface martienne et jusqu’à plus de 80 km d’altitude. Les résultats obtenus mettent en évidence l’influence des poussières dans l’atmosphère sur l’eau, ainsi que la fuite d’atomes d’hydrogène dans l’espace.

Les sondes en orbite ont quant à elles profité d’un point de vue unique, et TGO a suivi la formation et le développement de la tempête, et observé la manière dont l’augmentation de la poussière a influé sur la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère, ce qui est important pour comprendre l’histoire de l’eau sur Mars au fil du temps.

Les observations sont cohérentes avec les modèles de circulation à l’échelle planétaire. La poussière absorbe les radiations du Soleil, chauffant le gaz environnant et provoquant son expansion, redistribuant à son tour d'autres ingrédients - comme l'eau - sur une plage verticale plus large. Un contraste de température plus élevé s’installe entre les régions équatoriales et polaires, et renforce la circulation atmosphérique. Parallèlement, les températures plus élevées font que moins de nuages de glace d'eau se forment ; en temps normal ils confineraient la vapeur d'eau à des altitudes plus basses.

Les équipes ont également procédé à la première observation simultanée d’eau semi-lourde et de vapeur d’eau, qui a fourni des informations essentielles sur les processus qui contrôlent la quantité d’atomes d’hydrogène et de deutérium qui s’échappent dans l’espace. Cela signifie également que le rapport deutérium sur hydrogène (D/H) peut être dérivé, ce qui est un marqueur important de l'évolution de l'inventaire des ressources en eau sur Mars.

«Nous constatons que l’eau, deutérée ou non, est très sensible à la présence de nuages de glace, qui l’empêche d’atteindre les couches atmosphériques les plus hautes. L'eau a atteint des altitudes beaucoup plus élevées pendant la tempête, » affirme Ann Carine. « C’était prédit de manière théorique par les modèles depuis longtemps, mais c'est la première fois que nous avons pu l'observer. »

Comme le rapport D/H est supposé changer en fonction des saisons et des latitudes, les mesures régionales et saisonnières continues de TGO devraient fournir une preuve supplémentaire des processus en jeu.

Le mystère du méthane s'épaissit

Les deux instruments complémentaires ont également commencé leurs mesures des gaz à l‘état de traces dans l'atmosphère martienne. Les gaz à l'état de traces représentent moins de 1% de l'atmosphère en volume et nécessitent des techniques de mesure très précises pour déterminer leurs empreintes chimiques dans la composition. La présence de gaz à l’état de traces est généralement mesurée en «partie par milliard en volume» (ppbv). Ainsi, si on prend l’exemple du stock de méthane de la Terre, soit 1800 ppbv, cela signifie que pour chaque milliard de molécules, 1800 sont du méthane.

Le méthane revêt un intérêt particulier pour les scientifiques qui travaillent sur Mars, car il peut être une signature de la vie, ainsi qu’un indicateur de processus géologiques. Sur Terre, par exemple, 95% du méthane dans l'atmosphère provient de processus biologiques. Puisqu'il peut être détruit par le rayonnement solaire à l’échelle de quelques centaines d'années, toute détection de la molécule à l'époque actuelle implique qu'elle a été libérée relativement récemment - même si le méthane lui-même a pu être produit il y a des millions ou des milliards d'années et être resté emprisonné dans des réservoirs souterrains jusqu'à maintenant. De plus, les gaz à l'état de traces sont quotidiennement mélangés de manière efficace à la surface de la planète ; les modèles de circulation des vents à l’échelle planétaire indiquent que le méthane serait réparti uniformément sur l’ensemble de la planète en quelques mois.

Les signalements de méthane dans l’atmosphère martienne ont fait l’objet de vives discussions, car les détections ont été très sporadiques en termes de lieu et de lieu et frôlaient souvent la limite de détection des instruments. La mission Mars Express de l’ESA a fourni en 2004 l’une des premières mesures en orbite ; elle indiquait à ce moment-là une présence de méthane de l’ordre de 10 ppbv.

Les télescopes basés sur Terre ont également soit signalé l’absence de méthane, soit détecté temporairement des valeurs pouvant aller jusqu’à environ 45 ppbv. Le robot Curiosity de la NASA, qui explore le cratère Gale depuis 2012, a suggéré un niveau de fond de méthane variant avec les saisons entre 0,2 et 0,7 ppbv, avec des pointes plus élevées. Plus récemment, Mars Express a observé un pic de méthane un jour après l’un des relevés les plus élevés de Curiosity.