MAVEN (acronyme de Évolution de l'atmosphère et des volatils martiens.) est une mission spatiale d'exploration de la planète Mars développée dans le cadre du programme Mars Scout de l'agence spatiale américaine, la NASA, et lancée avec succès fin 2013. Les opérations scientifiques, dont la durée initiale était de 2 ans, se sont achevées fin 2025 à la suite de la perte de contact avec la sonde spatiale et la mission s'est achevée officiellement en en juin 2026.
Mars est aujourd'hui désertique, sèche, froide (température au sol moyenne de ) et dotée d'une atmosphère très ténue (pression atmosphérique 170 fois plus faible que sur Terre). Pourtant, les indices géologiques recueillis par les engins spatiaux placés en orbite comme MRO (traces de vallées fluviales, bassins lacustres…) ou au sol comme les rovers MER et Curiosity (détection d'argiles formées en présence d'eau liquide…) démontrent que la planète Mars était autrefois (il y a environ 4 milliards d'années) chaude et dotée d'une atmosphère suffisamment dense pour permettre à l'eau de couler à l'état liquide à sa surface. L'état actuel de l'atmosphère de Mars est probablement le résultat de l'action du vent solaire, flot de particules ionisées émis en permanence par le Soleil qui, en bombardant l'atmosphère de Mars, a progressivement conduit à son échappement. La disparition du champ magnétique martien au début de l'histoire de la planète a sans doute contribué à ce processus.
La sonde spatiale MAVEN, qui circule sur une orbite elliptique autour de Mars, avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l'origine de la quasi-disparition de son atmosphère. À cet effet, ses instruments étudiaient les caractéristiques de la partie supérieure de l’atmosphère de la planète exposée au bombardement solaire notamment en déterminant sa composition, mesurant le flux d'énergie solaire ainsi que le taux d'échappement actuel des différents gaz. Pour atteindre ses objectifs, la sonde spatiale circulait sur une orbite basse elliptique (180 x 4500 km) qui lui permettait de traverser toutes les régions de l'atmosphère martienne résiduelle. Au cours de sa mission primaire d'une durée d'un an, MAVEN a effectué cinq « plongées » dans l'atmosphère basse relativement dense. Une fois sa mission primaire achevée, la sonde spatiale a poursuivi ses investigations scientifiques tout en jouant également le rôle de relais de télécommunications entre les engins spatiaux posés sur le sol martien (rover Curiosity…) et la Terre tout en poursuivant ses mesures scientifiques.
MAVEN est un orbiteur de grande taille (, d'envergure) qui emporte une charge utile constituée de huit instruments scientifiques. MAVEN a été lancé le par une fusée Atlas V 401 depuis la base de lancement de Cap Canaveral et s'est placé en orbite autour de Mars le . Le projet a un coût évalué à 671 millions de dollars américains en incluant le lancement et la gestion des opérations durant la mission primaire.
Parmi les nombreux résultats de cette mission, MAVEN a permis de confirmer le rôle du vent solaire dans l'échappement de l'atmosphère avec un accroissement considérable à chaque éruption solaire. Compte tenu de la fréquence beaucoup plus élevée de ces événements lorsque le Soleil était plus jeune, ce processus explique sans aucun doute la transformation subie par l'atmosphère martienne. La mission a également permis de déterminer que l'ionosphère jouait un rôle critique dans le processus d'échappement et que le taux de disparition de l'hydrogène variait fortement en fonction de la saison martienne. Une cartographie complète de la magnétosphère de la planète a été réalisée.
Contexte : échappement de l'atmosphère de Mars
Un changement climatique radical
Mars est aujourd'hui une planète désertique, froide (température moyenne de oscillant entre aux pôles durant la nuit polaire et à l'équateur, à midi et lorsque la planète se trouve au plus près du Soleil). Son atmosphère très ténue (pression atmosphérique en surface de 30 millibars, soit 170 fois plus faible que sur Terre) est composée essentiellement de dioxyde de carbone (95,3 %) et contient une proportion anormalement faible de vapeur d'eau. Dans les conditions actuelles, l'eau ne peut pas exister à l'état liquide mais seulement sous forme de glace (qui peut se sublimer) ou de vapeur d'eau. Les indices géologiques recueillis par les engins spatiaux lancés vers Mars montrent que la planète a connu par le passé des conditions complètement différentes. La caméra à haute résolution HiRISE de l'orbiteur MRO a permis d'identifier des réseaux de vallées fluviales, des bassins lacustres et des formations glaciaires. Les rovers MER et Curiosity ont découvert des traces fossilisées d'anciens cours d'eau et des argiles qui ne peuvent se former que lorsque l'eau liquide subsiste sur de longues durées en surface.
Lorsque le système solaire s'est formé il y a 4,5 milliards d'années, les planètes telluriques telles que Mercure, la Terre, Vénus et Mars se sont constituées autour d'un noyau constitué de métal fondu. Les mouvements de ce noyau liquide ont généré un champ magnétique qui protégeait la surface des planètes de l'action du vent solaire en repoussant ce flot d'ions et d'électrons énergétiques émis par le Soleil. Durant plusieurs centaines de millions d'années, Mars a disposé d'une atmosphère épaisse, humide et chaude, à l'abri de son champ magnétique. Le cœur chaud a permis le développement d'une activité volcanique alimentant l'atmosphère en gaz. Mais en quelques centaines de millions d'années, ces conditions ont radicalement changé. Le cœur métallique de Mars s'est refroidi et le champ magnétique a progressivement disparu, en laissant l'atmosphère sans protection contre le vent solaire. L'eau présente à la surface a gelé en s'enfouissant dans le sol, ou s'est évaporée dans l'atmosphère. Les analyses effectuées à l'aide des instruments des sondes spatiales martiennes suggèrent que la majeure partie de l'atmosphère a disparu il y a environ quatre milliards d'années. Le rayonnement ultraviolet, qui n'était plus filtré par l'atmosphère, a stérilisé son sol. Des mesures effectuées par les sondes spatiales montrent que l'atmosphère continue à s'échapper, à un rythme plus lent, depuis cette époque. Mars Express et Phobos ont ainsi mis en évidence que des ions énergétiques des couches supérieures de l'atmosphère martienne (ionosphère) s'échappaient de manière continue dans l'espace.
Selon les scientifiques, l'atmosphère disparue pourrait se trouver dans deux endroits : soit elle a été enfouie dans le sol par le biais de processus géologiques, soit elle s'est échappée dans l'espace interplanétaire. Les rovers martiens ont découvert des minéraux carbonés (formés de dioxyde de carbone), mais pas suffisamment pour accréditer la thèse de l'enfouissement de l'atmosphère dans le sol. L'hypothèse de l'échappement vers l'espace interplanétaire est, par contre, confirmée par la mesure des isotopes de l'argon présents dans les gaz de l’atmosphère. Les éléments chimiques, comme l'argon, existent avec différentes masses (définissant des isotopes différents), et le ratio entre ces différents isotopes est identique à l'échelle du système solaire au moment de sa formation. S'il y a échappement atmosphérique, les isotopes les plus légers sont plus susceptibles d'être affectés, ce que reflétera alors le ratio entre isotopes.
Les mécanismes de l'échappement atmosphérique
vignette|600px|centre|Les différents processus contribuant à l'échappement de l'atmosphère martienne. Les données à disposition ont permis d'identifier plusieurs mécanismes qui ont pu conduire à l'échappement de l'atmosphère martienne dans l'espace interplanétaire. Le rayonnement ultraviolet et le vent solaire transforment les atomes et les molécules de la haute atmosphère, à l'origine électriquement neutres, en particules chargées (ions). Le champ électrique généré par le vent solaire peut alors agir sur celles-ci et les chasser dans l'espace. Le vent solaire peut également réchauffer les molécules de la haute atmosphère, qui échappent alors à la gravité martienne. Mais des éruptions volcaniques ont eu lieu , et auraient dû reconstituer l'atmosphère. La disparition de celle-ci résulte peut-être de la combinaison de plusieurs de ces mécanismes. Les mécanismes d'échappement à l’œuvre peuvent être regroupés dans deux catégories : échappement thermique et échappement non thermique.
L'échappement thermique Chronologie de la mission Date Événement Lancement Transit vers Mars Chronologie détaillée Date Événement Correction trajectoire TCM Correction trajectoire TCM2 Correction trajectoire TCM3 Correction trajectoire TCM4 Insertion en orbite autour de Mars Chronologie détaillée Date Événement Manœuvres d'insertion en orbite (MOI) Phase de transition (calibrage…) Mission primaire Chronologie détaillée Date Événement Début de la mission primaire fin Plongée profonde dans l'atmosphère #1 mi Plongée profonde dans l'atmosphère #2 fin Plongée profonde dans l'atmosphère #3 fin Plongée profonde dans l'atmosphère #4 fin Plongée profonde dans l'atmosphère #5 Fin de la mission primaire Mission étendue Chronologie détaillée Date Événement Début de la mission étendue Périapside relevé à ?
L'échappement thermique est un phénomène qui a lieu à très haute altitude, au-dessus de l'exobase, dans l'exosphère (à une altitude supérieure à deux cents kilomètres – sur Mars), région de l'atmosphère où les particules ne subissent pratiquement plus de collisions, du fait de la faible densité de l'atmosphère résiduelle. Il résulte de l'agitation normale des particules d'un gaz en équilibre thermodynamique.
L'échappement de Jeans La vitesse des particules qui parviennent au-dessus de l'exobase à la suite de collisions se distribue de manière aléatoire. Celles qui sont dotées d'une grande énergie, avec une vitesse supérieure à la vitesse d'échappement et un vecteur vitesse dirigé vers le haut, échappent à l'attraction de Mars. Le réservoir de particules de ce type est reconstitué de manière continue par des particules en provenance des couches atmosphériques inférieures. L'échappement de Jeans ne joue un rôle significatif que pour les particules les plus légères (H, H2, D). C'est a priori le mécanisme qui explique la perte de la majorité de l'hydrogène neutre (non ionisé). Dans la mesure où cet hydrogène provient de l'eau, l'étude de l'échappement de l'hydrogène se confond avec l'étude de la disparition de l'eau sur Mars.
L'échappement hydrodynamique Cet échappement est un cas limite de l'échappement de Jeans dans lequel l'expulsion de l'hydrogène vers l'espace interplanétaire entraîne celle de particules plus lourdes. Il n'a joué un rôle important qu'au tout début de l'histoire de Mars, lorsque l'atmosphère primitive était riche en hydrogène.
Les échappements non thermiques L'échappement chimique
Certaines réactions chimiques exothermiques qui ont lieu dans l'atmosphère produisent un excès d'énergie cinétique transmis aux atomes. Lorsque ces réactions se produisent près de l'exobase, dans une région où la densité est suffisante pour que des collisions se produisent, mais où elle est suffisamment faible pour que l'énergie acquise par les particules ne soit pas dissipée dans de nouvelles collisions (thermalisation), certains des atomes expulsés vers l'exosphère ont acquis suffisamment d'énergie, et donc de vitesse, pour s'échapper dans l'espace interplanétaire.
L'échappement ionique