Les quatre stations du réseau Netlander ne relèvent ni du nombre d’or ni du hasard mais bel et bien de contraintes spécifiques à leur mission. Trois stations opérationnelles sont nécessaires pour la position d’un séisme, mesurer la direction de l’axe de rotation de la planète ou calculer le horizontal des variations temporelles du champ magnétique. Au-delà, plus on rajoute de stations, meilleure est la définition… le seul problème est la masse au lancement !

Le projet Netlander réalisé par le CNES et ses partenaires (Finlande, Allemagne, Belgique et Suisse) et américain devrait installer à la surface de Mars un de quatre petites stations au sol de 20 kg chacune. Son objectif : étudier la structure interne de Mars, localiser des réservoirs d’eau ou de glace sous les stations, déterminer la géologie et minéralogie des sites d’atterrissage et effectuer des mesures atmosphériques (étude de la couche limite, de la circulation globale et de l’ionosphère). Pour cela, chaque station sera équipée de deux sismomètres déposés au sol (2 axes Très Large Bande et 3 axes courtes périodes), d’un magnétomètre trois axes, d’une station météorologique complète (pression, température, vitesse des vents, humidité, densité optique), d’un capteur de champ électrique, d’un radar à pénétration et d’une panoramique. La mise en place d’un tel réseau de stations d’observation à la surface d’une planète est indispensable pour étudier la météorologie, mesurer l’activité sismique et caractériser l’intérieur de la planète par des sondages sismiques, magnétiques et des mesures géodésiques : des disciplines bien connues de l’Institut de Physique du Globe de Paris (pour la géophysique interne), de l’Institut Pierre Simon Laplace (pour la géophysique externe et la météorologie) et de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (pour la minéralogie et l’imagerie de surface), qui partagent la responsabilité des expériences françaises.

La science de réseau, fournit la réponse à deux des questions fondamentales sur Mars : quelle est lastructure interne de la planète ? Comment évolue son atmosphère? Selon le cas, le nombre minimum de stations diffère. La triangulation requise pour la sismologie est liée à un problème de positionnement (trouver la source du séisme, étudier la propagation des deux ondes se diffusant dans le manteau et la croûte de la planète, l’onde P et l’onde S). La limite est alors mathématique. Il faut trois stations opérationnelles pour localiser un événement et déterminer un modèle de vitesse. Trois stations géodésie sont également nécessaires pour déterminer la direction de l’axe de rotation de la planète et son amplitude, de même qu’en magnétisme pour mesurer les gradients horizontaux de la variation temporelle du champ magnétique. Quatre stations s’imposent donc pour atteindre une fiabilité suffisante. Par contre pour l’étude de la météorologie, le nombre importe moins puisque l’essentiel consiste à observer simultanément le même phénomène à plusieurs endroits. Avec quatre stations mesurant sur quatre sites différents les mêmes paramètres atmosphériques, nous sommes encore loin d’un véritable réseau autosuffisant. Mais le couplage avec des mesures orbitales (effectuées par exemple par Mars Express ou par le satellite d’une future micromission) permet cependant une excellente mission. Bien sûr, plus de stations permettraient d’augmenter le nombre des mesures, et donneraient accès par exemple aux variations latérales de structure du manteau martien. Mais, malgré le faible coût récurrent des stations, les performances d’Ariane 5 en 2005 ne le permettent pas.

Des instruments couplés par centre d’intérêt

Lors de leur arrivée sur le sol martien, ces stations seront éparpillées à 2 000 ou 3 000 km les unes des autres. L’une d’entre elles atterrira sans doute dans l’hémisphère sud au voisinage du cratère d’Hellas, les trois autres se poseront dans les environs du dôme de Tharsis. Les principaux objectifs de la mission concernent la structure interne de la planète, la détection sous chaque site d’atterrissage de l’existence de nappes d’eau souterraines et l’étude de l’atmosphère et de l’ionosphère. Il sera donc question de géophysique (profonde et superficielle), de géologie de surface, de météorologie et de géophysique externe, appliquées non plus à la Terre mais à Mars. Pour mener à bien ces multiples recherches, les instruments ont été regroupés par thématiques. Pour la structure profonde, le sismomètre, l’expérience de géodésie et le magnétomètre regarderont ensemble le manteau et le noyau de la planète, complétant ainsi leur vision. Les mesures de la taille et de l’état du noyau de Mars pourront donc être réalisées pour le centenaire de la découverte, en 1906, du noyau terrestre ! Et beaucoup plus pourra être fait en couplant des mesures faites sur terre en laboratoire et sur Mars in situ. Sur Mars, les instruments mesureront indirectement les vitesses sismiques, la conductivité, la densité. Sur terre, des minéraux seront mis aux pressions et températures martiennes et leurs vitesses sismiques, leur densité et leur conductivité seront mesurées. Ceci permettra de relier les mesures géophysiques à la composition minéralogique de Mars… quelques centaines, voire milliers, de kilomètres sous chaque station ! L’accompagnement de la mission par des expériences en laboratoire sur la minéralogie à haute pression, mais aussi par des simulations numériques en convection du manteau, en circulation atmosphérique… est donc très important et devra être mis en place dans un futur proche par un appel d’offres largement ouvert à la communauté scientifique des pays participant à la réalisation de Netlander. Et ces mesures seront, de plus, complémentaires des études en géochimie isotopique faites sur les échantillons, qui vont permettre d’étudier les grands événements marquants de la planète.

Pour la géophysique de subsurface, les techniques seront proches de celles utilisées fréquemment dans l’exploration pétrolière. Radar et magnétomètre vont tenter de détecter l’existence d’eau liquide à grande profondeur. A priori, selon les latitudes, on la suppose entre 2 et 8 km. Le Centre d’Etude des Environnements Terrestre et Planétaire et le centre de recherche de Schlumberger, une compagnie de prospection pétrolière, réaliseront une expérience pour rechercher de l’eau liquide sur Mars par un sondage actif et passif : cela sera une première dans le monde de la prospection des ressources. En plus de la station météorologique équipant chaque Netlander, l’expérience de géodésie utilisant le système radio va s’attacher également à mesurer la durée du jour qui varie typiquement de cinq centièmes de secondes en raison de l’échange entre l’atmosphère et les calottes polaires. Ce système radio mesurera également le contenu électronique total de l’ionosphère, permettant, avec le magnétomètre, de caractériser la structure et la dynamique de l’ionosphère de Mars. Enfin la caméra panoramique (vision multispectrale et stéréoscopique) donnera régulièrement des images des quatre sites.

Philippe Lognonné,
Coordinateur scientifique des Netlanders et directeur du département
des Etudes spatiales à l’Institut de Physique du Globe
Extrait de CNES Magazine n°5