Mission Phoenix sur Mars
Lancement :
État : Mission terminée
C'est au cours de la mission de l'atterrisseur martien Phoenix que la région arctique de Mars a été explorée pour la première fois à partir de la surface même de la planète. Phoenix a été lancé du centre spatial Kennedy avec une fusée Delta II à 5 h 26 (HE) le . Il s'est posé le dans Vastitas Borealis, une région près de la calotte boréale, où il a fonctionné pendant plus de cinq mois (bien au-delà de sa vie utile prévue de 90 jours).
En se posant, l'atterrisseur Phoenix a marqué l'arrivée du Canada sur Mars, une première pour notre pays. Une station météorologique de conception canadienne était embarquée sur l'engin pour recueillir quotidiennement des données sur les conditions météorologiques au site d'atterrissage. Les instruments canadiens ont mesuré la température et la pression atmosphérique sur Mars, et ont aussi sondé les nuages, le brouillard et la poussière dans la basse atmosphère martienne. Fait à noter, la station a permis de confirmer qu'il neigeait sur Mars puisqu'elle a détecté des flocons de neige qui tombaient à 4 km d'altitude dans l'atmosphère.
Mission
Phoenix a utilisé son bras robotisé de 2,35 m pour creuser le sol et prélever des échantillons qui ont été analysés à même son laboratoire embarqué. Parmi ses premiers résultats, Phoenix a confirmé la présence de glace d'eau sous la surface martienne, que l'orbiteur Mars Odyssey de la NASA avait déjà détectée depuis l'espace en . Les imageurs de Phoenix ont également transmis plus 25 000 prises de vue, allant de scènes de vastes étendues (avec l'imageur stéréoscopique) à des particules à l'échelle du micromètre (avec le premier microscope à force atomique jamais utilisé ailleurs que sur Terre).
Les premières réalisations scientifiques de Phoenix font avancer les recherches visant à déterminer si le milieu arctique martien a déjà été favorable à la vie. Les analyses effectuées ont permis de découvrir notamment :
- la présence d'un environnement où le sol est légèrement alcalin et différent de ce qui a été découvert lors de missions précédentes sur Mars;
- de faibles concentrations de sels qui pourraient servir de nutriments nécessaires à la vie;
- du sel perchloraté susceptible d'agir sur les propriétés de la glace et du sol;
- du carbonate de calcium, un indicateur des effets de l'eau liquide.
Contribution du Canada
Station météorologique
La station météorologique canadienne embarquée sur l'atterrisseur a recueilli quotidiennement des données sur les conditions météorologiques au site d'atterrissage. Cette station a commencé son travail quelques heures seulement après l'atterrissage et a bien fonctionné durant toute la mission. Fourni par l'Université d'Aarhus au Danemark, le capteur de vent installé au sommet du mât de la station a également mesuré la vitesse et la direction du vent. Il a par ailleurs détecté la présence d'au moins un tourbillon de poussière à l'emplacement de Phoenix. Voici les éléments de la station météorologique :
- Lidar vertical pour sonder l'atmosphère
- Mât doté de trois thermomètres installés à différentes hauteurs et d'un capteur de vent
- Baromètre
Objectifs scientifiques
- Observer les conditions météorologiques au quotidien ainsi que les changements saisonniers.
- Utiliser les données recueillies sur la température et la pression atmosphérique pour valider les modèles atmosphériques.
- Analyser la structure et la profondeur de la basse atmosphère afin de recueillir des données sur :
- l'emplacement, la structure et les propriétés optiques des nuages, du brouillard et des particules de poussière;
- le cycle saisonnier de l'eau, allant de la glace au sol à la vapeur dans l'atmosphère.
Tel un robot scientifique, Phoenix a recherché de l'eau dans le sol de Mars, analysé la composition chimique et minéralogique du terrain, et étudié l'atmosphère. La station météorologique canadienne reposait sur la plateforme supérieure de l'engin spatial. Elle a suivi au quotidien l'évolution des conditions météorologiques ainsi que les variations saisonnières du climat à l'aide d'un lidar et d'une série de thermomètres, d'un capteur de vent et d'un baromètre. C'était la première fois qu'un lidar était utilisé sur une autre planète.
Vue d'artiste des éléments canadiens embarqués sur l'atterrisseur Phoenix : le lidar et le mât (avec les thermomètres) de la station météorologique. (Sources : NASA, JPL-Caltech, MSSS.)
Lidar
Vue d'artiste du lidar canadien en action. (Sources : JPL/NASA, Université de l'Arizona.)
MDA Space Systems de Brampton, en Ontario, qui a travaillé en collaboration avec l'entreprise Optech de Toronto, était l'entrepreneur principal chargé du lidar. De la taille d'une boite à chaussures, le lidar émettait dans l'atmosphère un faisceau de lumière aussi fin qu'un crayon, dont les impulsions se réfléchissaient sur les nuages et la poussière atmosphérique en altitude. Les impulsions lumineuses étaient alors réfléchies vers un télescope optique de 10 centimètres sur l'atterrisseur. Les données obtenues ont permis de déterminer la composition, le mouvement et la taille des nuages et des particules au-dessus de Phoenix.
Pour qu'il puisse traverser une bonne partie de l'atmosphère ténue, le laser était pointé vers le haut, à la verticale, et fonctionnait dans deux longueurs d'onde différentes de manière à obtenir des mesures précises de la hauteur des nuages à 10 mètres près. L'équipe scientifique canadienne activait le laser pendant des périodes de 15 minutes quatre fois par jour dans le but de définir à quelle heure du jour les nuages commençaient à se former au-dessus du site d'atterrissage et de déterminer s'il s'en formait à différentes altitudes à certains moments de la journée. Malgré une alimentation en énergie de seulement 30 watts (capacité maximale de 40 watts), comparable à la puissance d'une simple ampoule électrique, le lidar pouvait émettre son faisceau jusqu'à 20 kilomètres d'altitude dans l'atmosphère martienne.
Le lidar canadien. (Sources : NASA, JPL, Université de l'Arizona, Lockheed Martin.)
En balayant et en sondant aussi minutieusement et pour la première fois le ciel au-dessus du pôle martien depuis le sol, les chercheurs canadiens ont pu observer divers phénomènes atmosphériques comme jamais auparavant. Ils ont vu des nuages de glace et de poussière, du brouillard au sol et même des tourbillons de poussière balayer le site d'atterrissage. Les chercheurs utilisent ces données uniques sur cette région de la planète rouge pour mieux comprendre les rouages internes des cycles de l'eau qui passe de l'état de glace à la surface à l'état de vapeur dans l'atmosphère.
Thermomètres et baromètre
Lorsque Phoenix a atterri près de la calotte boréale de Mars, le Soleil était près de son point le plus élevé de l'année et il a fait jour pendant presque 24 heures. Les températures locales variaient de −33 °C à −100 °C.
La station météo était équipée de trois thermomètres, fixés au mât à différents niveaux. Le thermomètre supérieur se trouvait à environ 2,3 m au-dessus du sol.
Ils mesuraient la température en analysant l'effet qu'elle avait sur un courant électrique dans un circuit fermé. C'est le groupe Missions spatiales de MDA (Brampton) qui s'était chargé de leur fabrication.
Le baromètre, à peu près de la taille d'un paquet de cartes, pouvait effectuer des mesures barométriques continues au site d'atterrissage. Il était monté sur le côté d'un boitier électronique installé sur la plateforme de Phoenix.
La pression atmosphérique était équivalente à environ un pour cent de celle observée sur Terre. Les chercheurs ont pu établir une corrélation entre ces données barométriques et les données des autres instruments pour faire des prévisions météorologiques quotidiennes concernant le site d'atterrissage.
Le baromètre a été fourni par l'Institut météorologique de la Finlande (en anglais, finlandais et suédois seulement).
Capteur de vent
Le capteur de vent situé près du sommet du mât, à côté d'un thermomètre, mesurait la direction et la vitesse du vent au site d'atterrissage. Les chercheurs ont dû faire preuve d'imagination et mettre au point un appareil petit et léger composé d'un petit tube et d'une balle. Lorsque la balle se soulevait et s'animait sous l'effet du vent, des caméras stéréoscopiques installées à bord enregistraient ses mouvements. La déviation de la balle indiquait alors la vitesse et la direction du vent.
Sources : Agence spatiale canadienne (ASC), Lockheed Martin.
Les vents au site d'atterrissage de Phoenix atteignaient généralement entre 3 et 5 m/s (entre 11 et 18 km/h). Cette moyenne a augmenté à environ 10 m/s (36 km/h) lors des 50 derniers sols de la mission, lorsque l'hiver s'est installé. Les vents ont atteint une vitesse record de 16 m/s (58 km/h).
Le capteur de vent a été mis au point par l'Université d'Aarhus (en anglais et danois seulement) du Danemark avec le soutien des membres de l'équipe scientifique canadienne.
Vue d'artiste de l'atterrisseur Phoenix. (Sources : JPL/NASA, Université de l'Arizona.)
Images
Le , l'atterrisseur martien Phoenix s'est posé de façon spectaculaire sur Mars. Des millions de téléspectateurs ont ainsi pu vivre eux aussi le sentiment d'allégresse qui a animé l'équipe internationale réunie au JPL de la NASA. Quelques heures seulement après avoir touché le sol, l'engin spatial a transmis vers la Terre des images de la région polaire rocailleuse de Mars. Cette image panoramique est en fait une mosaïque de centaines d'images de Phoenix et de son environnement immédiat. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/Université A&M du Texas.)
Ces tranchées ont été creusées par le bras robotisé de Phoenix. Les taches blanches, sous seulement quelques centimètres de sol, sont de la glace. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/Université A&M du Texas.)
Phoenix a aussi détecté du carbonate de calcium dans le sol martien. Ce minéral est courant dans les roches terrestres comme le calcaire et la craie. C'est aussi un élément constitutif des coquillages et des coquilles d'œufs, et on le retrouve dans le brocoli et le chou frisé. Il a mené les scientifiques à croire que l'environnement où Phoenix a atterri pourrait jadis avoir été humide. Sur Terre, là où il y a de l'eau, il y a la vie. Il est donc normal que la première étape sur Mars consiste à suivre la trace de l'eau afin de déterminer si notre voisine du Système solaire peut, ou si elle a déjà pu, être favorable au développement de la vie. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/Université A&M du Texas.)
Projection verticale d'images captées par les imageurs embarqués de Phoenix, assemblées comme si l'on regardait l'atterrisseur en plongée. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/Université A&M du Texas.)
Cette mosaïque d'images couleur montre la couverture thermique (de protection) du lidar canadien. Elle a été réalisée avec l'imageur stéréoscopique embarqué sur l'atterrisseur Phoenix le au sol 35 (35e jour martien) de la mission. Le lidar faisait partie de la station météorologique canadienne fournie par l'ASC. La couverture thermique du lidar arbore le même mot-symbole « Canada » que celui figurant sur le célèbre Canadarm de la navette spatiale ainsi que sur le Canadarm2 et sur Dextre, les robots canadiens de la Station spatiale internationale. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/Université A&M du Texas.)
Au 99e sol (jour martien) de la mission, le lidar canadien a fait une découverte : des flocons de neige tombant de nuages à environ 4 km d'altitude au-dessus de l'atterrisseur. Les couleurs de ce graphique représentent les nuages martiens. Les chutes de neige prennent la forme de traits courbes dans la portion droite du graphique, révélant par ailleurs qu'à cette hauteur, les vents sont plus rapides qu'aux altitudes supérieures. « Nous n'avons jamais rien vu de tel sur Mars », a déclaré Jim Whiteway, de l'Université York, scientifique responsable de la station météorologique de l'ASC. (Source : NASA/JPL-Caltech/Université de l'Arizona/ASC)
Quoi de plus « canadien » sur Mars que d'étudier les conditions météorologiques! Pendant toute la mission, la station météorologique de l'ASC a enregistré les températures et la pression barométrique pour produire des bulletins quotidiens sur les conditions météo martiennes. Nous pouvions ainsi comparer le temps qu'il faisait ici sur Terre avec celui sur Mars. Des collaborateurs danois de l'Université d'Aarhus ont également fourni des données sur la vitesse des vents. Le bulletin météo affiché porte sur le sol 151 : ce sont les dernières données transmises par l'atterrisseur Phoenix. La durée prévue de la mission était de 90 jours, mais Phoenix a dépassé toutes les attentes puisqu'il a fonctionné pendant plus de cinq mois. La mission a pris fin à l'arrivée de l'hiver martien, où les panneaux solaires ont cessé de fonctionner. (Sources : NASA/JPL-Caltech/ASC, Université d'Aarhus.)
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