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Exploration de Mars
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La mission InSight débute
InSight s’est posée le 26 novembre 2018 sur Mars dans un cratère peu profond dans la région martienne de l’Elysium Planitia. InSight est inclinée d’environ 4 degrés par rapport à l’horizontal et repose sur une couche de sable.
InSight est équipée du sismomètre SEIS, de la sonde de chaleur HP3, d’une station météorologique qui comporte des instruments pour mesurer la pression atmosphérique, la température, la direction et la vitesse du vent, l’expérience radio RISE, le rétroréflecteur LaRRI et les caméras.
Avec cette nouvelle aventure, partons à la découverte des mesures envoyées par InSight à nos scientifiques et à leurs interprétations pour mieux comprendre la composition et le fonctionnement de la planète Mars.
Nous allons voir que la sismologie sur Mars est bien différente de celle sur la Terre. Pour avoir plus d’information sur la sismologie et la physique de la Terre, va voir la Mission 7.
Quarante-quatre ans après la première tentative héroïque des sondes Viking, SEIS est installé sur le sol martien depuis le mois de décembre 2018 et il a été mis en service en février 2019. SEIS fonctionne techniquement très bien mais ses enregistrements sont perturbés par des sources de bruits variés qui viennent parasiter les faibles signaux sismiques.
L’activité de l’atmosphère est très turbulente au cours d’une journée martienne. De fortes variations de température sont enregistrées allant de -80°C à 0°C ainsi que de fortes variations de la vitesse du vent.
Au coucher du soleil, vers 17h et jusqu’aux environs de minuit, les vents martiens tombent et le niveau de bruit ambiant s’effondre autour d’InSight. C’est alors le meilleur moment pour permettre à SEIS d’enregistrer les événements sismiques.
Un marsquake se produit lorsque le sol martien est soumis à une accumulation de contrainte si forte qu il y a fracturation de la structure rocheuse.
Le sismomètre SEIS est l’unique sismométre installé sur Mars et il est situé proche d’InSight. SEIS comporte 6 capteurs sismiques, 3 pendules VBB dans l’enceinte sous vide, et 3 petits capteurs courte période. Il est donc sensible à une large gamme de vibrations. Il a été conçu et adapté pour l’environnement martien.
Comment déterminer l’épicentre d’un séisme sur Mars ?
Connaissant la vitesse à laquelle les ondes P et S traversent la croûte et le manteau martien, il est relativement facile d’estimer la distance à laquelle chaque événement s’est produit en mesurant le délai entre l’arrivée de l’onde P et de l’onde S (de la même manière que l’on peut estimer la distance à laquelle se situe un orage en mesurant le délai entre la vue d’un éclair et l’audition du tonnerre).
Pour la plupart des événements détectés sur Mars (y compris tous les événements à haute fréquence), c’est tout ce que nous pouvons faire, ce qui nous permet de tracer l’emplacement possible des événements sismiques sur un cercle autour du point d’atterrissage InSight.
Pour les meilleurs signaux provenant d’événements de basse fréquence, il est possible d’estimer la direction de départ des ondes.
L’instrument SEIS mesure le mouvement sismique du sol dans 3 directions à angle droit l’une par rapport à l’autre. Une fois que la direction du capteur SEIS est orientée vers la surface (ce qui se fait à l’aide d’une boussole solaire placée sur son boîtier), il est possible de convertir ces signaux en composante verticale, nord-sud et est-ouest. En traçant les 2 composantes horizontales l’une par rapport à l’autre, elles indiquent le mouvement des particules à la surface du sol.
Pour la première arrivée de l’onde P à la station sismique, ce mouvement de particules pointe vers la direction d’où provient l’onde.
Quiz !
Séismes martiens
Ce premier résultat montre que la planète Mars est sismiquement active mais avec une séismicité bien différente de celle de la Terre. Découvrons ci-dessous l’enregistrement du 1 er marsquake enregistré au cours du 128 ème jour martien (sol 128), (soit le 6 avril 2019 sur Terre). La magnitude de ce premier marsquake est estimée entre 2.1-2.5 et son origine est inconnue.Depuis ce premier marsquake, SEIS a détecté plus de 450 marsquakes dont une dizaine sont de magnitude 3 et 4.
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1-Des séismes de basse fréquence, ayant une énergie située au environ de 1 Hz, c’est-à-dire 1 vibration par seconde.
2-Des séismes de haute fréquence, ayant une énergie supérieure à 1 Hz, c’est-à-dire plusieurs vibrations par seconde.
Si tous les événements de basse fréquence sont sans aucun doute des séismes, pour les événements de haute fréquence, qui sont les plus nombreux, les sismologues sont prudents et sont presque certains que tous ne sont pas des séismes. Ils pensent que certains de ces événements sont dus à des glissements de terrain, à des chutes de pierre, ou à des phénomènes météorologiques. Les enregistrements des séismes haute fréquence montrent que le foyer de ces séismes est situé dans la croûte martienne et que les ondes émises restent piégées dans la croûte martienne.
L’étude de 24 événements de basse fréquence montre, une magnitude comprise entre 3 et 4, avec des ondes se propageant à travers le manteau martien. Les 2 séismes détectés lors de sol 173 et de sol 235 ont un épicentre localisé à environ 1600 kilomètres d’InSight.
1- Ce nombre particulièrement important de secousses sismiques est comparable à celui observé dans les zones terrestres intra-plaque, c’est-à-dire dans les zones qui ne sont pas directement soumises à la tectonique des plaques. Contrairement à la Terre et à ses multiples plaques tectoniques, les diverses observations faites au cours du temps montrent que la planète Mars semble constituée d’une seule plaque.
2- Ces données suggèrent que Mars a une activité 2 à 3 fois plus faible que l’activité sismique intra-plaque de la Terre, c’est-à-dire aux zones terrestres non affectées par la tectonique de plaques ou associées à des points chauds et 10 à 20 fois supérieure à celle de la Lune.
3- Où sont situés sur la surface de Mars les épicentres des premiers séismes enregistrés par SEIS ?
Les ondes sismiques de ces 2 événements sont arrivées d’une région baptisée Cerberus Fossae.
Il s’agit d’un immense système de failles situé à l’est de la plaine d’Elysium, où InSight s’est posé. Ce système de failles s’est probablement formé lors de la mise en place des volcans formant l’Elysium Mons. Ancien siège d’une activité volcanique, fluviale et éolienne importante (dont les plus récents témoignages datent de 10 à 2 millions d’années), le champ de fractures de Cerberus a apparemment accumulé dans son histoire de nombreuses contraintes le long de ces fractures.
En combinant ces résultats sismiques aux images fournies par les satellites orbitant autour de Mars, tout indique que les failles de Cerberus Fossae sont encore actives, et continuent à bouger.
4- D’une façon générale, les scientifiques pensent que les marsquakes proviennent du refroidissement lent de la planète qui entraîne la contraction de la surface provoquant le développement de fractures. Ces marsquakes peuvent également avoir pour sources des impacts de petites météorites ou bien des mouvements du magma provenant de la croûte ou du manteau martien.
Ce qui ressort de ces premières études sismiques :
1- La majorité des marsquakes sont de faible intensité. Les ondes sismiques émises sont de haute fréquence et restent piégées dans la croûte martienne avec avec une longue durée de signal de 10 à 20 minutes en raison des propriétés de diffusion de la croûte martienne. Les marsquakes d’une magnitude supérieure ou égale à 4, sont très rares. Leurs ondes se propagent dans le manteau martien.
La séismicité de Mars est active et bien différente de celle de la Terre et de celle de la Lune.
2- Les données montrent que la croûte supérieure de Mars aurait une épaisseur de 8 à 11 km et serait constituée de matériaux volcaniques très altérés ou fracturés qui “pourraient suggérer un contact prolongé avec de l’eau”. Cette altération ne résulte pas uniquement d’impacts de météorites, mais aussi du passé de l’activité de Mars, y compris quand il y a plusieurs milliers d’années, il y avait une circulation d’eau dans la croûte et de l’eau à la surface.
3- Sous cette croûte martienne altérée se trouve une croûte consolidée. Il s’agit d’une couche plus homogène et cohérente qui pourrait descendre jusqu’à la limite marquant le début du manteau. Si la croûte martienne commence à livrer ses secrets, la structure du manteau martien est en cours d’analyse et devrait être précisée dans les mois qui viennent.
Sur Mars, les grands événements détectés jusqu’à présent sont d’origine relativement profonde et n’ont pas créés d’ondes de surface.
Cependant, les sismologues s’attendent à voir des ondes de surface lorsqu’un marsquake de faible profondeur se produira ou lorsqu’un gros impact de météorite se produira.
Les premiers résultats de l’analyse des données sismiques ont permis aux scientifiques de faire quelques déductions sur la structure peu profonde et sur la structure de la croûte de Mars.
Caractérisation de la surface martienne
L’analyse minutieuse du signal sismique, généré par le martèlement de la sonde de chaleur HP3, par les perturbations sismiques générées par les fluctuations de la pression atmosphérique causées par le passage des tourbillons de poussière, a permis aux scientifiques de déduire et de caractériser le sous-sol d’Elysium Planitia, site d’atterrissage d’InSight.
Ce sous-sol est constitué de deux couches distinctes :
1- une couche superficielle formée de sable et matériaux concassés par d’innombrables impacts depuis des milliards d’années. Cette couche quelques mètres d’épaisseur est appelée régolite.
Cette couche semble faire obstacle à l’enfoncement de la sonde HP3. Lors de ses sessions de martelage, HP3 fait vibrer le sous-sol, et se comporte alors comme une source sismique active. Grâce à lui, les scientifiques ont pu estimer la vitesse de propagation des ondes sismiques de type P dans le premier mètre de la surface martienne, ce qui a permis de déduire en retour certaines caractéristiques physiques propres au régolite.
L’épaisseur de la couche de régolite est inférieure à 2 métres avec une vitesse sismique lente de l’ordre de 90-140 m/sec
2- Cette couche de régolite repose sur un sol rocheux plus dur caractérisé par une vitesse sismique allant de 500-1200 m/sec variant de la dizaine à la centaine de mètres de profondeur.
Ce sous-sol a été sondé grâce aux déformations induites par la circulation des tourbillons de poussière (dust devils). Ils provoquent des chutes de pression très nettes sur les données du capteur de pression ultra-sensible de la station météorologique APSS d’InSight et sont enregistré par SEIS.
Structure de la croûte martienne
Une analyse minutieuse des signaux sismiques des plus grands marsquakes montre la présence d’ondes converties.
Celles-ci se produisent lorsqu’une onde sismique franchit une limite entre des couches ayant des vitesses sismiques sensiblement différentes.
À ces limites, les ondes P peuvent être converties en ondes S et les ondes S peuvent être converties en ondes P.
Une analyse minutieuse de ces ondes converties sur les premiers marsquakes, indique qu’il existe une couche limite accompagnée d’un changement de la vitesse sismique à une profondeur variant de 8 à 11 km dans la croûte martienne.
Avec seulement quelques événements sismiques de basse fréquence suffisamment importants pour être localisés avec précision et aucun enregistrement des ondes de surface, il est difficile de faire de très nombreuses déductions sur la nature ou la structure du manteau martien.
Une technique qui s’est avérée possible est d’examiner la vitesse à laquelle les signaux sismiques ont été atténués lors de leur passage à travers le manteau.
Les signaux sismiques de Mars ressemblent plus à des tremblements de Lune qu’à des tremblements de Terre, avec une longue réverbération après le signal initial.
Les signaux de tremblements de Terre provenant d’événements à des distances similaires ont tendance à être des signaux assez courts. Une grande partie de l’énergie des ondes est perdue rapidement. La perte d’énergie des ondes sismiques est due au mouvement de l’eau liquide dans les minuscules pores des roches.
Les signaux de tremblements de Lune et de Mars durent beaucoup plus longtemps que ceux recueillis sur Terre. Ce résultat indique que les ondes sismiques ont rebondi sans perdre toute leur énergie. Ce résultat indique que le matériau est très sec et très fracturé.
Ce taux d’atténuation est une bonne indication sur la nature des roches que les ondes ont traversées.
Comme nous n’avons pas encore une très bonne idée de la structure précise de la vitesse dans le manteau martien, les scientifiques font une estimation des valeurs d’atténuation de la vitesse des ondes sismiques.
Les premiers résultats indiquent qu’elles sont cohérentes avec celles que l’on trouve sur Terre dans les régions de massifs cristallins.
Afin d’obtenir plus d’informations sur la nature du noyau martien, il faut attendre les données provenant de RISE installé sur InSight. L’analyse du tremblement de Mars par RISE nécessite une très longue période de collecte de données. Les signaux sismiques provenant d’événements beaucoup plus importants qui se sont produits de l’autre côté de la planète et qui créent des ondes sismiques qui traversent le noyau permettront une analyse plus détaillée des matériaux du noyau.
Les météorites frappent la surface de Mars.
Les passages répétés des satellites en orbite permettent de voir les nouveaux cratères d’impact au fur et à mesure de leur formation.
L’équipe scientifique espère pouvoir détecter le signal sismique d’un de ces impacts chaque année.
Les impacts de météorites constitueront alors un point d’étalonnage très important pour les scientifiques, car ils permettront de localiser avec précision l’un des signaux sismiques et d’étalonner les modèles de vitesse qu’ils utilisent.
Quiz !
Chaleur, Atmosphère, Magnétisme
La mesure de la vitesse à laquelle la chaleur sort de l’intérieur de Mars va fournir aux scientifiques des informations importantes sur la nature de l’intérieur et l’histoire thermique de la formation de Mars.
Pour cela, la sonde de chaleur HP3 est conçu pour s’enfouir jusqu’à 5 mètres sous la surface et, une fois sur place, pour mesurer très précisément la température en des points situés au fond de ce trou.
La sonde HP3 est composée d’un petit marteau à ressort appelé taupe ayant pour mission d’enfoncer la sonde à une profondeur de 5 m. Le chemin emprunté par cet instrument est semé de cailloux qui font rebondir, stopper et bloquer l’instrument. Pour cela une pause dans le forage a été décidé et au bout de quelques semaines une solution a été trouvé par les scientifiques qui consiste à utiliser l’extrémité de la pelle du bras robotique d’InSight pour taper doucement sur l’instrument et ainsi aider la taupe à progresser dans le sous-sol. Cette solution est actuellement un succès puique HP3 progresse lentement dans le sol.
Ci-dessous écoutes le bruit de la progression de HP3 dans le sol:
La NASA a publié un GIF sur Twitter montrant que la HP3 progresse de quelques centimètres. C’est loin de la profondeur cible de 10 à 16 pieds, mais tout progrès est une bonne chose après des mois d’échecs. Le bras ne pourra aider la sonde que jusqu’à ce qu’elle disparaisse sous la surface, mais le sol plus compact à cette profondeur pourrait permettre au mécanisme de creusement de la sonde de fonctionner comme prévu.
Le mécanisme de tapotement de la taupe a produit des signaux sismiques clairs qui ont été détectés par SEIS. Une analyse minutieuse de ces signaux sismiques permet de déterminer la structure peu profonde du bassin dans lequel se trouve l’atterrisseur InSight (quelques mètres de profondeur).
De nombreuses informations sur l’atmosphère martienne ont déjà été obtenues lors des précédentes missions et par les satellites en orbite autour de Mars. Cependant, les instruments météorologiques d’InSight fournissent un niveau de détail sans précédent permettant d’obtenir des mesures cruciales sur le sol martien.
Ces mesures permettent de calibrer les données satellitaires, de faire des études détaillées de la pression et de la température atmosphériques ainsi que des mesures de la vitesse et de la direction du vent.
Les données météorologiques montrent des variations intéressantes sur toute une série d’échelles.
1-Sur la plus longue échelle saisonnière, elles montrent la variation de la pression atmosphérique lorsque le CO2 dans l’atmosphère gèle et se sublime au cours d’un cycle annuel.
2-Les cycles quotidiens sont très prononcés avec de grandes variations de pression et de température entre le jour et la nuit.
3-On observe également des événements de très courte durée causés par des tourbillons de poussière et des mouvements atmosphériques à plus grande échelle (appelés trous et ondes de gravité).
4-Les variations quotidiennes de l’atmosphère apparaissent sur tous les instruments, la pression, la température, la vitesse et la direction du vent.
La variabilité de ces mesures est saisie avec un niveau de détail sans précédent.
5-Les tourbillons de poussière ou de convection sont courants sur Mars et sont perçus comme des chutes de pression soudaines lorsqu’ils passent à proximité de l’atterrisseur InSight.
6-Ces chutes de pression soudaines se sont avérées être des événements importants pour l’équipe scientifique d’InSight car elles aident les sismologues à faire la distinction entre les “marsquakes” et les événements atmosphériques.
7-La réaction de la surface du sol à ces chutes de pression a également permis aux scientifiques de déterminer les propriétés physiques de la surface proche.
Depuis plusieurs annéeses les satellites mesurent le champ magnétique de Mars depuis son orbite.
Toutefois, ces mesures sont limitées en termes de résolution et ne peuvent identifier que les éléments de surface à une échelle minimale de 150 km.
Le fait de disposer d’un magnétomètre à haute résolution à la surface de Mars permet d’obtenir un niveau de détail sans précédent, en ce qui concerne l’intensité du champ magnétique et sa variation au cours du temps.
Le champ magnétique mesuré à la surface de Mars comprend des influences provenant de diverses sources.
Les sources de champ magnétique variables dans le temps que connaît InSight comprennent les variations quotidiennes liées à l’activité atmosphérique.
Certaines de ces variatons magnétiques quotidiennes peuvent être alignées avec les mesures météorologiques.
L’intensité du champ magnétique mesurée par le magnétomètre d’InSight à la surface est 10 fois plus forte que celle prévue par les modèles provenant des données satellitaires.
Cela ne peut s’expliquer que par la présence de roches fortement magnétisées situées sous la surface dans un rayon de 150 km autour du site d’InSight.
En combinant les informations déduites de l’équipe de sismologie sur la stratification de la croûte et de la surface proche avec les informations sur les sources magnétiques du magnétomètre, les scientifiques ont pu déduire une géologie sous le site d’atterrissage d’InSight.
Quiz !
Ressources
Les informations et les données de la mission InSight sont disponibles auprès de diverses sources, certaines sont publiées dès leur réception, d’autres sont retenues pendant quelques mois pour donner aux scientifiques de la mission le temps de faire leur première analyse.
Le site officiel de la NASA pour la mission mars.nasa.gov/insight est un bon endroit pour commencer avec de nombreuses informations actuelles sur le projet InSight.
Ces informations de la NASA comprennent un bulletin météorologique quotidien (pour la météo d’il y a deux jours)
Sachant qu’il faut une journée pour traiter les données et les voir en libre accès sur le site de la Nasa, découvre l’évolution de la météo martienne !
Les données qui ont été téléchargées dans les formats standard .sac ou .miniseed peuvent être analysées avec le logiciel Java gratuit SeisGram
Le logiciel peut être téléchargé gratuitement à partir du site web de l’équipe éducative du SEIS
https://insight.oca.eu/fr/data-insight#marsview
et est un exécutable JAVA qui peut fonctionner sur les ordinateurs Windows, MacOS et Linux.
Ce logiciel peut être utilisé pour visualiser des données provenant des instruments d’InSight.
Le logiciel SeisGram peut être utilisé pour inspecter le contenu fréquentiel des données à l’aide de fonctions de spectrogramme et appliquer de simples filtres de fréquence.
Le logiciel SeisGram peut effectuer une analyse simple du temps de parcours pour déterminer la distance à laquelle un événement s’est produit en utilisant les temps de retard entre les ondes P et S.
Le softare SeisGram peut également être utilisé pour déterminer la direction dans laquelle les ondes sismiques de certains événements se propagent grâce à sa fonction de mouvement des particules.
L’équipe éducative SEIS en France a créé un site web interactif pour travailler avec des données sur les marsquakes.
http://philippe.cosentino.free.fr/productions/marsview/
Cela donne aux utilisateurs la possibilité d’interagir avec des données sélectionnées sur les tremblements de terre par le biais d’un navigateur web et d’essayer de localiser ces événements sur une carte de Mars.
Le site de la NASA https://mars.nasa.gov/insight/timeline/surface-operations/ permet de suivre chaque jour la mission.
Aventure précédente
Fin de l'Aventure
Aventure suivante
Remerciements à :
Paul Denton
Denton Seismo Ltd UK,www.dentonseismo.co.uk
Interaction-rédaction et traduction en anglais
Laurence laffargue-Rieder
Traduction en allemand
Philippe Labrot
IPGP, Institut de Physique du Globe de Paris, France
Interaction scientifique
Philippe Lognonné
IPGP, Institut de Physique du Globe de Paris, France
Interaction scientifique
Philippe Laudet
CNES, Centre National d’Etudes Spatiales de Toulouse, France
Interaction scientifique
William Bruce Banerdt
JPL, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, USA
Interaction scientifique
Crédits : IPGP, NASA, JPL, CNES, CEA, ETH Zurich et Université de Zürich