Altitudes et coordonnées géographiques sur Mars - Définition
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Introduction
L'exploration de la planète Mars a rendu nécessaire l'établissement d'un référentiel dans lequel exprimer les altitudes et les coordonnées sur Mars. La finalisation de ce référentiel est intervenue au début du XXIe siècle à partir des relevés altimétriques du Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) de la sonde Mars Global Surveyor, mais de nombreuses données intermédiaires concernant la géographie martienne ont été publiées et mises en ligne dans les années 1970, 1980 et 1990 — et sont souvent toujours accessibles, notamment sur les sites institutionnels américains, sans mention particulière — avec des valeurs aujourd'hui erronées car établies dans un cadre devenu obsolète depuis lors.
Altitudes et niveau 0
Données du problème
En l'absence d'étendue liquide susceptible de définir une surface équipotentielle globale dans le champ de gravité martien comme le font les océans sur Terre, le niveau 0 des altitudes martiennes a dû être défini conventionnellement.
Mars étant, contrairement à Vénus, une planète en rotation relativement rapide, avec une période de rotation sidérale de 1,026 jour terrestre, il n'est pas possible de se fonder sur son rayon moyen (3 389,5 km) pour définir le niveau de référence des altitudes martiennes : dans un tel référentiel, l'équateur aurait une altitude moyenne de près de 7 km au-dessus du niveau de référence tandis que les pôles se situeraient plus de 13 km en-dessous, car la forme générale de Mars est, comme le géoïde, à peu près sphéroïdale — c'est-à-dire pouvant être approchée par un ellipsoïde de révolution d'aplatissement non nul. De surcroît, un tel niveau 0 sphérique ne représenterait pas une surface équipotentielle, et n'aurait donc aucune signification pratique.
Conventions du programme Viking
Le programme Viking, élaboré par la NASA au début des années 1970, avait ainsi défini le niveau 0 comme celui d'un sphéroïde de rayon équatorial égal à 3 397,2 km avec un aplatissement de 0,0105. L'atterrisseur de Viking 1 s'est ainsi posé sur Mars le 20 juillet 1976 par 22,480° N et 47.967° W (coordonnées « planétographiques », voir plus loin) à une altitude de -2 690 m par rapport à ce référentiel.
Finalisation du référentiel
Avec l'affinement des mesures de la pression au sol de l'atmosphère de Mars au fil des missions d'exploration qui se sont succédé sur et autour de la planète rouge, il est devenu possible de calculer une équipotentielle globale à partir de la pression atmosphérique moyenne déterminée par occultation radio en un réseau suffisamment serré de points à la surface de la planète :
Niveau de référence martien — Le niveau d'altitude 0 est conventionnellement établi sur Mars comme celui auquel la pression atmosphérique moyenne est de 610 Pa.
Noter que cette pression standard est très proche — mais distincte — de celle du point triple de l'eau pure, qui est de 611,73 Pa, avec une température de 273,16 K (0,01 °C).
En pratique, la pression au sol varie constamment du fait des aléas climatiques — dépressions et anticyclones — et surtout du cycle saisonnier du dioxyde de carbone atmosphérique, en équilibre avec le dioxyde de carbone gelé dans les calottes polaires, ce qui induit des variations de pression considérables sur l'ensemble de la surface martienne : Viking 1 Lander avait ainsi relevé sur son site d'atterrissage des extrêmes allant de 680 Pa en été à près de 900 Pa en automne. C'est ce qui rend si difficile la détermination du niveau de référence martien en fonction de la pression standard au sol, au point qu'avant les années 2000 l'imprécision des altitudes pouvait atteindre 4 à 6 km, comme l'illustre ce Q&A du siècle dernier toujours en ligne sur le site éducatif NASA Quest de la NASA :
« QUESTION: What are the highest and lowest elevations on the surface on Mars?
ANSWER from Smart Filter on 24 January 1997: From the text "Astronomy" by James B. Kaler, copyright 1994, publisher: Harper Collins:
First we must define a reference level by taking the average atmospheric pressure at the surface of Mars (the reference level is the martian counterpart of sea level on earth). The volcano Olympus Mons reaches 27 kilometers above the reference level. The ancient impact basin Hellas is 4 kilometers below the reference level. »
Les valeurs actuellement publiées par l'USGS sur la base des relevés du MOLA de MGS sont en fait respectivement 21 229 m pour Olympus Mons et -8 200 m pour Hellas Planitia.
