Projet ANR : Caractérisation des environnements Extra-terrestres de Mars et Titan par l’Observation et la modélisation des champs de DUNES

L’objectif du projet EXO-DUNES est de documenter les caractéristiques des dunes ainsi que les processus atmosphériques et sédimentaires qui les ont créées et façonnées sur Mars et sur Titan, la lune de Saturne.

Grâce aux programmes actuels d’observation et d’exploration approfondies de Mars et de Titan, notre connaissance de ces corps planétaires s’est considérablement améliorée. Les phénomènes atmosphériques et les paysages de Mars et de Titan présentent des similitudes frappantes avec ceux de la Terre. En particulier, de vastes champs de dunes ont été observés sur ces corps lointains, montrant que les dunes peuvent se former dans tout le système solaire, dans des environnements planétaires extrêmement variés. Les dunes constituent un outil puissant pour étudier l’histoire sédimentaire et climatique des environnements arides et semi-arides (comme les déserts sur Terre, et plus globalement sur Mars et Titan).

Mars et Titan présentent tous deux des environnements « exotiques », mais seulement des différences subtiles dans la morphologie des dunes par rapport aux normes terrestres. On pense que les dunes martiennes se sont formées dans des environnements gelés et que leur morphogenèse et leur évolution devraient être, au moins partiellement, contrôlées par des processus de surface et de subsurface, tels que la topographie locale, la concentration de substances volatiles dans les sédiments et les cycles de gel/dégel. Plus loin du Soleil, l’origine et la morphogenèse des dunes de Titan sont encore mal comprises, mais le climat de Titan et la nature des « grains » d’hydrocarbures suggèrent que la cohésion entre les grains pourrait jouer un rôle majeur. Cependant, malgré des études intensives sur les dunes planétaires, de nombreuses questions concernant leur origine, leur composition, leur morphologie, leur âge et leur dynamique dans les conditions climatiques actuelles et passées restent sans réponse. Mars et Titan offrent donc une occasion unique de contraindre la morphodynamique des dunes dans des environnements extrêmes et d’améliorer en retour notre compréhension actuelle des processus atmosphériques et de surface terrestres.

Nous proposons d’étudier en détail les dunes de Mars et de Titan, avec l’aide des analogues terrestres pertinents, lorsqu’ils sont disponibles. L’objectif de ce projet est de développer de nouvelles méthodes quantitatives afin de révéler les informations fondamentales sur la nature des sédiments et les régimes de vents atmosphériques qui sont contenues dans la morphologie, la taille et l’orientation des dunes. Nous identifions trois questions spécifiques mais essentielles sur la morphogenèse et l’évolution des dunes sur Mars et Titan : (1) quelle est l’origine et le rôle de la cohésion inter-grains ? (2) Quel est le rôle de la topographie ? (3) quel est le rôle de la variabilité du vent en intensité et en direction ?

Cependant, l’observation des formes et des orientations des dunes ne suffit pas à résoudre l’ambiguïté entre les rôles combinés des flux atmosphériques et des propriétés mécaniques des grains. Les lois de transport, les régimes de vent et les propriétés des sédiments étant fortement couplés de manière non-linéaire, cet exercice s’avère être un problème inverse d’une grande complexité intrinsèque. EXO-DUNES est donc un projet hautement collaboratif et interdisciplinaire, réunissant des chercheurs intéressés par les dunes planétaires et possédant des expériences diverses en matière d’analyse d’images, de recherches expérimentales, de modélisation et d’études d’analogues terrestres.

La première partie de ce projet consiste à analyser les images et la topographie des dunes planétaires sur Mars et Titan et à étudier quantitativement leur morphodynamique (composition, forme, orientation, direction et vitesse de migration…), en comparaison avec les analogues terrestres. La deuxième partie consiste en des recherches expérimentales et numériques sur les climats planétaires et la morphodynamique des dunes. Les expériences et les simulations numériques seront progressivement alimentées par les observations et seront menées en parallèle, dans une interaction mutuellement bénéfique. À la fin, nous prévoyons d’avoir une description détaillée des conditions climatiques (régimes et variabilité des vents) et sédimentaires (rôle de la cohésion et de la topographie) qui ont façonné les dunes de Mars et de Titan. Cela fournira d’importantes informations en retour sur la compréhension globale de la physique des dunes sur Terre.