Nous avons souvent parlé des dunes martiennes.

Elles font parties intégrante du paysage de la planète rouge et en sont même l'une des caractéristiques de surface majeures. Peu de régions martiennes ne sont en effet épargnées par ces formations éoliennes, fossiles ou actuelles. Nous reprenons cette semaine un article paru dans un numéro spécial de l'Astronomie sur le sujet.

Mars, la planète des dunes

Depuis l’analyse des clichés de la planète rouge obtenus par les sondes orbiters Mariner 9, Viking I et II, les planétologues soupçonnaient la présence à la surface de Mars de dunes de sable relativement éparses. On en avait même observé sur quelques clichés haute résolution des sondes Viking et l’on espérait en découvrir sur les panoramas au sol des landers Viking I, II et Pathfinder... sans succès.

Avec les pouvoirs de très haute résolution de la sonde Mars Global Surveyor (MGS), en orbite depuis le 11 septembre 1997 autour de la planète Mars, les clichés obtenus sont sans commune mesure avec ce que l’on connaissait déjà et dépassent même toutes les espérances des géomorphologues. À tel point qu’il faut reconsidérer totalement la dynamique actuelle des paysages martiens et de sa subsurface : la planète Mars est la planète des dunes ! Mais revenons tout d’abord sur nos connaissances terrestres des formations dunaires. Les dunes - du gaulois, duno = hauteur – sont des accumulations éoliennes de sable (sur la Terre le plus souvent quartzeux), hautes de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres.

Souvent dissymétriques, les dunes possèdent deux pentes bien marquées, la pente raide étant sous le vent. Les dunes peuvent présenter des stratifications obliques du fait des modifications du sens du vent. Fixes ou mobiles selon la topographie et les conditions morphoclimatiques, elles sont de plusieurs types :

• les nebkas, petites dunes que l’on rencontre derrière un obstacle, touffe de végétation en zone subdésertique ou bloc rocheux en zone désertique
• les dunes longitudinales allongées dans le sens du vent
• les barkhanes, qui sont de grandes dunes en croissant, à convexité tournée vers le vent et à concavité sous le vent, ont des pentes raides marquées par des éboulements. Pour leur partie médiane, ce sont des dunes transversales au vent. Elles dégénèrent sous des vents secondaires en siouf (singulier sif), crêtes sinueuses et acérées
• les ghourds, sont des dunes pyramidales pouvant atteindre 100 mètres de haut
• les ergs ou mers de sable, sont des associations complexes de dunes longitudinales et transversales, implantées sur de grands espaces (à ne pas confondre avec les regs)
• Les dunes littorales, qui montrent les mêmes caractéristiques mais qui sont localisées dans les zones côtières

Signalons aussi les ripple-marks, que l’on rencontre sur les plages et qui sont des petites rides de sable de quelques centimètres de hauteur. Sous l’effet de l’action de l’eau ou de celle du vent, les surfaces sableuses prennent rapidement un aspect ridé, aux crêtes dissymétriques et grossièrement parallèles. Ces crêtes sont distantes entre elles d’environ 10 cm tandis que leur amplitude varie de quelques centimètres. Cette disposition est provoquée par la saltation des grains de sable sous l’effet de l’eau ou du vent.

Très fréquentes à la surface du globe terrestre, les formations dunaires sont toutefois préférentiellement présentes dans les milieux désertiques, sub-désertiques et littoraux. On en rencontre également dans les zones périglaciaires. Dans tous les cas, les matériaux constitutifs des dunes sont issus des effets de l’érosion puis d’une prise en charge plus ou moins longue par des agents de transport tels les vents, courants marins ou fluviaux, glaciers...

Qu’en est-il sur Mars ?

Grâce aux observations télescopiques réalisées depuis quelques siècles, la communauté des astronomes a très tôt mis en évidence sur la planète rouge des rythmes saisonniers bien marqués, accompagnés de phénomènes atmosphériques importants, établissant au fil des observations la complexité des processus météorologiques en vigueur sur la petite planète. On s’aperçut que Mars avait une atmosphère aussi active et complexe que celle de la Terre.

Avec l’avènement de l’ère spatiale, les planétologues ont découvert que la planète Mars aussi fut le siège d’un passé climatique au demeurant très perturbé et dont les phases furent probablement intenses et particulièrement efficaces quand à l’érosion des paysages. On y observe d’ailleurs actuellement une activité météorologique où de complexes et puissants vents évoluent jusqu’à des vitesses supersoniques. De fortes dépressions thermiques ainsi que des tempêtes de sable et des tornades sont mêmes observées à distance depuis l’orbite martienne grâce à la sonde MGS et depuis la banlieue de la Terre grâce au télescope spatial Hubble. L’existence actuelle de vents à la surface de Mars est donc un premier indice en faveur de la présence de dunes au sol, de leur formation et de leur entretien.

Avec l’augmentation d’un facteur 100 des résolutions obtenues par l’imagerie satellitaire, les paysages et surfaces de Mars se révélèrent peu à peu, pour nous en laisser apparaître aujourd’hui une variété et une diversité non soupçonnées il y a seulement encore 30 ans. Depuis l’utilisation de la sonde MGS, les découvertes de nouveaux paysages se succèdent. Et c’est avec un certain intérêt que l’on a observé de vastes champs de dunes et des cordons dunaires, omniprésents sur la planète.

Que sait-on des dunes martiennes ? Sont-elles actives ou bien héritées de conditions morphoclimatiques très différentes de celles d’aujourd’hui ? Plus simplement, les dunes observées aujourd’hui sont-elles actuelles et mobiles ou de simples dunes fossilisées et figées ? Pour répondre à ce type de question, il convient de pouvoir observer les paysages à des époques différentes de l’année, à des hautes résolutions et pendant plusieurs années voire plusieurs décennies de suite, de façon à déterminer les éventuels changements et pouvoir ainsi les quantifier avec précision. Mais si les déplacements sont inférieurs aux résolutions d’observation, ils ne seront alors pas mis en évidence. La rhéologie (science qui étudie la mécanique des sols) nous enseigne qu’aux températures moyennes martiennes (comprises le plus souvent entre – 50° C et – 80° C), même avec une certaine pente, une gravité non négligeable et une faible pression atmosphérique, un versant n’évolue guère : il est figé, comme pris dans les glaces (d’eau ou carbonique) et ne possède pas assez de liant ou de matrice suffisamment fluide pour le mouvoir de manière significative (ce qui du reste est aussi valable pour d’éventuels glaciers de glace ou glaciers rocheux). Si la gravité est un bon moteur, les versants sur Mars sont secs et donc relativement stables. En conséquence, ils évoluent de manière différente que des versants hydratés (si l’on excepte les flancs de volcans). Sur Terre, l’équilibre d’un versant se fait vers 35° de pente, mais sur Mars, la gravité aidant, il en va différemment. On sait cependant que les remparts de certains cratères d’impact relativement jeunes et frais (peu dégradés par l’érosion), sont encore aujourd’hui sujets à des éboulements de masses qui se traduisent par de véritables couloirs d’avalanches rocheuses. Qu’en est-il des poussières ?

Les images au sol prises par les sondes Viking Landers à la fin des années 70, ont mis en évidence le déplacement important des poussières martiennes en surface (allant même jusqu’à recouvrir les panneaux solaires et autres instruments), déplacements attribués aux vents qui ,actuellement, auraient seuls la capacité de prendre en charge de grandes quantités de matières. Mais le manque d’imagerie à haute résolution sur des périodes de temps suffisamment longues, ne permet pas à la communauté des planétologues d’être catégorique concernant l’activité et le déplacement actuel des dunes martiennes qui stockent de très grands volumes de matériaux dont la granulométrie est inférieure à 2 mm. Certes, quelques dunes montrent bien-sur une période de 3 ans, des couleurs différentes avec des traces de “cônes d’éboulis” et de traînées sombres plus ou moins importantes. Ces coulées de matériaux (les sables et poussières sur Mars ont des tailles variant entre 60 µm et 2 mm) présentes aux pieds des dunes, n’indiquent pas pour autant que les dunes soient actives mais seulement qu’elles sont recouvertes en surface d’une quantité de sables et de poussières non agglomérés. Ce sont probablement ces matériaux-là qui sont mobilisés au gré et par les vents ! De même, le fait d’observer à chaque printemps, lors de la fonte des glaces polaires et lors de leur retrait des zones de haute latitude, des champs de dunes recouverts d’un manteau de givre, qui par endroit après s’être sublimé laisse apparaître des zones composées de matériaux plus sombres constituant la dune elle-même, n’est pas une preuve en soit de la dynamique de la dune, mais seulement un indice. En effet, il est tout à fait possible que les dunes de ces hautes latitudes soient plus ou moins indurées et recouvertes d’un léger cortex de quelques millimètres ou centimètres d’épaisseur. Ce serait ce cortex qui apparaîtrait lors des épisodes saisonniers de fonte du manteau de givre. Du reste, à l’approche de l’été, la fonte du manteau de givre s’opère de manière sporadique, progressivement, en fonction de la topographie locale et favorise alors la prise en charge par les vents et les brusques bourrasques, des matériaux sablonneux, s’épanchant en de longues et fines traînées sombres, contrastant avec la blancheur du reste du manteau de givre non encore sublimé. On parle dans ce cas de dunes mouchetées ou de dunes léopards. On observe également depuis l’orbite martienne, des champs de dunes aux aspects comparables à ceux des déserts terrestres. De grandes barkhanes y sont visibles. Elles indiquent dans ces zones là, la direction des vents principaux qui y soufflaient lors de la mise en place des ces cordons dunaires. Que ces dunes soient actuelles ou héritées, les barkhanes représentent donc des formidables indicateurs de la direction principale du vent dominant. Il n’est pas possible pour le moment d’affirmer que ces dunes soient mobiles ou non, alors que dans les déserts terrestres, on rencontre certaines barkhanes susceptibles de se déplacer de plusieurs dizaines de mètres par an. Mais une notion d’échelle s’interpose : les barkhanes terrestres sont près de 10 fois plus petites que leurs soeurs martiennes ! Souvent, les barkhanes martiennes s’observent dans des zones à la topographie protectrice : au fond d’un grand cratère d’impact ou sur le plancher d’une étroite vallée asséchée, le plus souvent près de murs ou de remparts canalisateurs du vent dominant. Ils sont les garants de l’entretien du système (tant que les vents soufflent et qu’ils possèdent des matériaux à prendre en charge).

Sur Mars on observe également des champs de dunes coalescentes. Il s’agit de dunes dont les crêtes ont fusionné entre elles sous l’effet de vents secondaires qui soufflent de travers par rapport au vent dominant. Ces dunes apparaissent donc liées entre elles dans leur plus grande longueur. Elles sont l’équivalent des siouf sur Terre. Enfin, on a repéré récemment de vastes plaines où des linéaments sombres en formes de spirales s’étalent de façon chaotique sur un substrat plus clair. Ils seraient liés aux brusques tornades qui évolueraient jusqu’à plus de 8000 mètres d’altitude, entraînant avec elles une partie du substrat. Celui-ci serait décapé et apparaîtrait contrasté d’avec les terrains alentour. Il convient aussi de rappeler que les sables martiens mobilisés par les vents et accumulés dans de vastes zones sous la forme des dunes précédemment décrites, proviennent d’horizons divers. Si certains sont d’origine volcanique (de grandes étendues basaltiques et andésitiques ont été identifiées à la surface de Mars), d’autres sont probablement issus des couches sédimentaires plus classiques d’origine lacustre, glaciaire, fluviale, marines... Mais ces sables sont si fins qu’ils sont très probablement aussi le produit du bombardement météoritique intense que Mars a subi dans le passé. Une forme de régolithe de type lunaire existerait sur Mars, avec cette différence fondamentale que la Lune n’a pas eu d’atmosphère. Les poussières pulvérulentes de la Lune n’ont jamais été prises en charge par des vents ou autres agents de l’érosion pour former des dunes. Sur Mars, les poussières devraient donc être plus érodées, plus arrondies que celles de la Lune...

Au terme de ce rapide panorama des dunes martiennes, il s’avère que sur Mars comme sur la Terre, l’interface atmosphère/lithosphère est particulièrement importante. Son étude et sa compréhension dans les années à venir participeront à l’acquisition des connaissances fondamentales sur le passé et le futur de la planète, sur le rôle de l’eau liquide et de l’eau atmosphérique dans la formation des héritages que l’on observe aujourd’hui en surface. L’étude des dunes martiennes, de leur formation et de leur dynamique sera aussi à prendre en compte lors des futures missions automatiques ou humaines. En attendant, elles renseignent facilement sur les vents dominant et secondaire d’une zone d’étude. Quoi qu’il en soit des conditions morphoclimatiques martiennes actuelles, il est évident que l’imagerie spatiale – même à haute résolution – n’est pas suffisante pour mettre en évidence les mouvements précis des dunes. Il sera nécessaire de les étudier avec des moyens sols comme c’est le cas actuellement sur la Terre, où des balises GPS participent aux côtés de mires laser à quantifier de tels mouvements. En attendant, la simple revue des images de la sonde MGS nous laisse présager a beauté des paysages que nous aurons à explorer...

Article paru dans l’Astronomie (Bulletin de la Société Astronomique de France). Vol. 114 - Mars/Avril 2000.

Cette semaine, voici présentées pour illustrer notre propos, les barkhanes de Chasma Boreale.

Chasma Boreale est une dépression géante qui divise la calotte polaire Nord de Mars en deux. Le plancher de cette cuvette est souvent recouvert par des dunes de sable foncées. Cette image a été prise au début du printemps (en septembre 1988), à un moment où le sable foncé est encore couvert par le gel hivernal. Les petites taches et les stries sombres sont des zones de sable qui émergent de dessous la glace, en particulier le long des dunes isolées et non coalescentes. En été, ces dunes apparaîtraient presque noir comparé au reste du paysage. Sur ce cliché, la forme des dunes en croissant indique un transport éolien du sable provenant du haut de l'image, en direction du bas de l'image. Le gel est probablement de l'eau congelée plutôt que de la glace carbonique, simplement du fait que les températures au printemps étaient trop élevées pour que le dioxyde de carbone sous présent sous sa forme solide. Il est intéressant de noter que les vents dominants sont Nord/Sud, ce qui favorise la stabilité des barkhanes, mais que certaines dunes se sont transormées en sif (pluriel siouf) sous l'action d'un vent secondaire orienté Nord-Nord Est/Sud-Sud Ouest.

Le Soleil éclaire la scène par le haut droite.

(c) Texte : Gilles Dawidowicz/APM.
(c) dessin : Gilles Dawidowicz
(c) Image : NASA/JPL/Malin Space Science Systems

Prochaine image Aux sources des dunes polaires....