Mesurer la force des rivières anciennes et actives au-delà de la Terre

Une nouvelle technique développée par des géologues du MIT permet aux scientifiques de voir à quel point les rivières coulaient sur Mars et comment elles coulent actuellement sur Titan. La méthode utilise des observations satellitaires pour estimer la vitesse à laquelle les rivières déplacent les fluides et les sédiments en aval.

En appliquant leur nouvelle technique, l’équipe du MIT a calculé la vitesse et la profondeur des rivières dans certaines régions de Mars il y a plus d’un milliard d’années. Ils ont également fait des estimations similaires pour les rivières actuellement actives sur Titan, même si l’atmosphère épaisse de la lune et la distance de la Terre la rendent plus difficile à explorer, avec beaucoup moins d’images disponibles de sa surface que celles de Mars.

“Ce qui est excitant avec Titan, c’est qu’il est actif. Avec cette technique, nous avons une méthode pour faire de vraies prédictions pour un endroit où nous n’obtiendrons pas plus de données pendant longtemps”, déclare Taylor Perron, professeur Cecil et Ida Green à Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. “Et sur Mars, cela nous donne une machine à voyager dans le temps, pour prendre les rivières qui sont mortes maintenant et avoir une idée de ce à quoi elles ressemblaient quand elles coulaient activement.”

Perron et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd’hui dans le Actes de l’Académie nationale des sciences. Les co-auteurs de Perron au MIT sont le premier auteur Samuel Birch, Paul Corlies et Jason Soderblom, avec Rose Palermo et Andrew Ashton de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Gary Parker de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et des collaborateurs de la Université de Californie à Los Angeles, Université Yale et Université Cornell.

Mathématiques de la rivière

L’étude de l’équipe est née de la perplexité de Perron et Birch sur les rivières de Titan. Les images prises par le vaisseau spatial Cassini de la NASA ont montré un curieux manque de deltas en forme d’éventail à l’embouchure de la plupart des rivières de la lune, contrairement à de nombreuses rivières sur Terre. Se pourrait-il que les rivières de Titan ne transportent pas assez de débit ou de sédiments pour construire des deltas ?

Le groupe s’est appuyé sur les travaux du co-auteur Gary Parker, qui dans les années 2000 a développé une série d’équations mathématiques pour décrire le débit des rivières sur Terre. Parker avait étudié les mesures des rivières prises directement sur le terrain par d’autres. À partir de ces données, il a découvert qu’il existait certaines relations universelles entre les dimensions physiques d’une rivière – sa largeur, sa profondeur et sa pente – et la vitesse à laquelle elle coulait. Il a établi des équations pour décrire mathématiquement ces relations, en tenant compte d’autres variables telles que le champ gravitationnel agissant sur la rivière, ainsi que la taille et la densité des sédiments poussés le long du lit d’une rivière.

“Cela signifie que les rivières de gravité et de matériaux différents devraient suivre des relations similaires”, explique Perron. “Cela a ouvert la possibilité d’appliquer cela à d’autres planètes également.”

Avoir un aperçu

Sur Terre, les géologues peuvent effectuer des mesures sur le terrain de la largeur, de la pente et de la taille moyenne des sédiments d’une rivière, qui peuvent toutes être introduites dans les équations de Parker pour prédire avec précision le débit d’une rivière ou la quantité d’eau et de sédiments qu’elle peut déplacer en aval. Mais pour les rivières d’autres planètes, les mesures sont plus limitées et largement basées sur des images et des mesures d’altitude collectées par des satellites distants. Pour Mars, plusieurs orbiteurs ont pris des images haute résolution de la planète. Pour Titan, les vues sont rares.

Birch s’est rendu compte que toute estimation du débit d’une rivière sur Mars ou Titan devrait être basée sur les quelques caractéristiques qui peuvent être mesurées à partir d’images et de topographie à distance, à savoir la largeur et la pente d’une rivière. Avec quelques retouches algébriques, il a adapté les équations de Parker pour qu’elles fonctionnent uniquement avec des entrées de largeur et de pente. Il a ensuite rassemblé les données de 491 rivières sur Terre, testé les équations modifiées sur ces rivières et a constaté que les prédictions basées uniquement sur la largeur et la pente de chaque rivière étaient exactes.

Ensuite, il a appliqué les équations à Mars, et plus précisément aux anciennes rivières menant aux cratères Gale et Jezero, qui auraient tous deux été des lacs remplis d’eau il y a des milliards d’années. Pour prédire le débit de chaque rivière, il a utilisé les équations de la gravité de Mars et des estimations de la largeur et de la pente de chaque rivière, sur la base d’images et de mesures d’altitude prises par des satellites en orbite.

D’après leurs prédictions de débit, l’équipe a découvert que les rivières ont probablement coulé pendant au moins 100 000 ans au cratère Gale et au moins 1 million d’années au cratère Jezero – assez longtemps pour avoir éventuellement soutenu la vie. Ils ont également pu comparer leurs prédictions de la taille moyenne des sédiments sur le lit de chaque rivière avec les mesures réelles sur le terrain des grains martiens près de chaque rivière, prises par les rovers Curiosity et Perseverance de la NASA. Ces quelques mesures de terrain ont permis à l’équipe de vérifier que leurs équations, appliquées sur Mars, étaient exactes.

L’équipe a ensuite pris son approche de Titan. Ils se sont concentrés sur deux endroits où les pentes des rivières peuvent être mesurées, y compris une rivière qui se jette dans un lac de la taille du lac Ontario. Cette rivière semble former un delta lorsqu’elle se jette dans le lac. Cependant, le delta est l’un des rares à exister sur la lune – presque toutes les rivières visibles qui se jettent dans un lac manquent mystérieusement de delta. L’équipe a également appliqué sa méthode à l’une de ces autres rivières sans delta.

Ils ont calculé le débit des deux rivières et ont constaté qu’elles pouvaient être comparables à certaines des plus grandes rivières de la Terre, avec des deltas estimés avoir un débit aussi important que le Mississippi. Les deux rivières devraient déplacer suffisamment de sédiments pour créer des deltas. Pourtant, la plupart des rivières de Titan n’ont pas de dépôts en forme d’éventail. Quelque chose d’autre doit être à l’œuvre pour expliquer ce manque de dépôts fluviaux.

Dans une autre découverte, l’équipe a calculé que les rivières sur Titan devraient être plus larges et avoir une pente plus douce que les rivières transportant le même débit sur Terre ou Mars. “Titan est l’endroit qui ressemble le plus à la Terre”, dit Birch. “Nous n’en avons qu’un aperçu. Il y a tellement plus que nous savons qu’il y a là-bas, et cette technique à distance nous rapproche un peu plus.”

Cette recherche a été soutenue, en partie, par la NASA et la Fondation Heising-Simons.