samedi 25 janvier 2014

Mars : Planète Irradiée

Les mesures de radiations effectuées par l'instrument RAD embarqué sur Curiosity durant plus de 300 jours viennent d'être publiées dans la revue Science. Elles viennent en complément des mesures qui avaient été faites durant le trajet de la sonde entre la Terre et la planète rouge (voir ici).



Disons-le tout de suite aux candidats à l'exploration ou la colonisation de Mars, il serait bon avant de partir qu'ils aillent faire un stage de longue durée du côté de Tchernobyl ou de Fukushima pour une petite mise en forme. Car l'ambiance radiologique y est bien plus sympathique que sur Mars...
Mars
Les rayonnements qui sont reçus au cours d'un voyage spatial ainsi que sur la surface de Mars sont de deux types, et sont non négligeables du fait de l'absence de protection comme l'atmosphère et un champ magnétique, qui nous protègent sur Terre.

Il s'agit tout d'abord de particules chargées, des rayons cosmiques galactiques (galactic cosmic rays, GCR) dans un flux continu, puis de protons énergétiques venant du soleil (solar energetic particles ,SEP), arrivant par bouffées discontinues.

Lors des mesures effectuées durant le voyage de la sonde, la dose enregistrée s'est montée à 1,8 milliSieverts par jour. Pour un aller-retour de 2 x 180 jours, le total calculé fait ainsi 660 milliSieverts. On peut rappeler tout de suite quelques valeurs de comparaison : la dose que nous recevons tous en moyenne au niveau de la mer en France de par la radioactivité naturelle, vaut 2,4 milliSieverts par an.

L'environnement radiologique à la surface de Mars est bien plus complexe que ce qui peut être observé sur Terre. Les particules sont très énergétiques et pénètrent en profondeur dans le régolithe de Mars, en produisant dans leurs interactions avec le sol de multiples particules secondaires incluant des neutrons et des rayons gamma.

Les GCR peuvent avoir une énergie supérieure à 10 GeV/nucléon. Leur flux est inversement proportionnel à l'activité solaire : lorsque cette dernière est forte, le flux de GCR est plus faible.  C'est tout l'opposé des SEP, qui elles sont abondantes lorsque l'activité solaire est forte.
Les GCR sont composés à 85% par des protons, à 13% par des noyaux d'hélium, puis 1% d'électrons et 1% de noyaux plus lourds. Leur énergie est si grande qu'ils peuvent pénétrer sur plusieurs mètres de profondeur dans le sol, et il est de fait extrêmement difficile de s'en protéger par des blindages.
Les SEP sont produits notamment par les éruptions solaires et les éjections de masse coronale.
Le détecteur RAD de Curiosity
(NASA/JPL/Caltech)
L'émission des SEP est sporadique est difficile à prédire et dure en général de quelques heures à quelques jours. La portion des SEP qui ont une énergie inférieure à 150 MeV ne parvient pas à pénétrer le sol Martien mais irradie tout ce qui se trouve à la surface. Mais ceux qui ont une énergie plus grande peuvent également produire des neutrons (très pénétrants) dans leurs interactions dans la fine atmosphère de Mars.

Venons-en maintenant aux mesures de Curiosity une fois posé sur le sol Martien. C'est le 7 août 2012 que Curiosity a débuté ses mesures de rayonnement cosmique sur Mars, exactement, jour pour jour, 100 ans après les premières mesures de Victor Hess dans son ballon...
Ces mesures se sont étalées sur 300 sols (jours martiens, 1 sol = 24h39), jusqu'au 1er juin 2013. Elles se sont donc déroulé durant le maximum du cycle solaire actuel (le cycle 24), qui est le maximum le plus faible qu'ait connu le soleil depuis plus de 100 ans.

La dose équivalente est calculée à partir de la dose déposée, elle prend donc en compte le facteur de qualité des rayonnements détectés (leur pouvoir ionisant).
L'essentiel de la dose journalière provient des GCR : elle vaut 0,64 millisieverts/jour, soit 232 mSv/an.
C'est trois fois moins que lors du voyage, mais c'est toujours considérable, exactement 100 fois ce que nous recevons par la radioactivité naturelle en France, et 10 fois la dose maximale autorisée (mais jamais atteinte dans les faits) pour les travailleurs du nucléaire dans de nombreux pays, en France comme aux Etats-Unis.
La dose reçue lors d'un seul événement de type SEP vaut quant à elle 0,05 millisievert

Pour se faire une idée parlante, cette dose est équivalente à passer un scanner abdominal tous les 12 jours, soit 30 scanners par an.... (les recommandations sanitaires actuelles sont de ne pas dépasser un examen scanner tous les deux ans).

Conséquence pour des astronautes
Donald Hassler fait le calcul du total de la dose reçue lors d'une mission impliquant un voyage de 180 jours à l'aller comme au retour avec un séjour de 500 jours sur Mars, la somme donne la valeur de 1,01 Sievert
Soyons clairs : les seuls liquidateurs de Tchernobyl qui ont reçu ce type de doses sont ceux qui ne sont plus là pour en parler. Et aucun travailleur de Fukushima n'a reçu une dose supérieure à 0,7 Sievert.
Hassler calcule le niveau de radiation qui serait reçu en dessous de la surface martienne. La seule solution efficace pour nos astronautes étant de se protéger en s'enterrant. Hassler montre, au vu de la densité moyenne du régolithe, qu'il faut pas moins de 3 mètres d'épaisseur de roche pour retrouver un niveau comparable au bruit de fond radioactif de la roche.

Conséquences pour des organismes vivants martiens
Bien évidemment, il n'y a pas que sur les astronautes que ces rayonnements, qui existent depuis toujours, agissent de manière néfaste, mais aussi sur toute forme de vie dont l'ADN est très sensible aux radiations (directement par ionisation des brins d'ADN ou indirectement par radiolyse de l'eau produisant des radicaux libres).
Pour évaluer ces effets, les chercheurs prennent comme modèle une bactérie terrestre qui est très particulière car étant la bactérie qui est la plus résistante aux radiations que l'on connaisse, la bien nommée D. Radiodurans. Hassler montre que D. Radiodurans serait éradiquée dans les premiers mètres de sol en quelques millions d'années seulement. Mais elle pourrait, dans certaines conditions, passer par une phase dormante après avoir réparé son ADN et avoir ainsi une chance de survivre mais si seulement elle se trouve à une profondeur plus grande que 1 m dans le sol...

Conséquences sur la chimie organique
Et il n'y a pas que les molécules d'ADN qui sont impactées par les rayonnements ionisants, mais aussi de très nombreuses molécules organiques complexes, ainsi que l'eau elle-même et des composés inorganiques comme des sels ou autres éléments sensibles aux réactions d'oxydo-réduction. Il s'ensuit que les traces éventuelles de vie (éventuelle donc) vont s'en trouver grandement altérées. Les physicochimistes ont évalué qu'à 5 cm sous la surface de Mars, les molécules complexes de plus de 100 atomes sont détruites à 99,9% sur une période de 650 millions d'années.
L'irradiation de molécules d'eau (H20) et d'ions hydroxyles (OH-) produit des radicaux libres qui vont oxyder les molécules hydrocarbonées et aromatiques pour produire des sels organiques et du CO2. Sur Mars, ces réactions sont de plus accélérées par la présence de catalyseurs ferriques.
Hassler conclue que la meilleure chance pour trouver des molécules organiques sur Mars, si on ne peut pas creuser profondément, c'est d'aller les chercher là où le sol a été retourné récemment, comme par exemple les cratères d'impact, ou des zones érodées, mais ne montrant surtout pas d'activité aqueuse!
Vue d'artiste des installations prévues du projet vendeur de rêve Mars One
On l'aura compris, le tableau que vient de dresser Curiosity grâce à ses mesures radiologiques de la surface de Mars sont peu réjouissantes pour tous les rêveurs (et les vendeurs de rêves) qui croient pouvoir explorer tranquillement la planète rouge à la recherche de traces de vie et vivre dans des petites capsules avec vue sur les plaines.

Non seulement cette hypothétique vie devrait être bien profondément enfouie, mais elle ne laisserait de toute façon pas de traces en subsurface. Et les astronautes, en creusant pour les trouver, creuseraient plus certainement leur dernière demeure si ce n'est leurs abris de fortune.


Source :

Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover

Donald M. Hassler et al.
Science 343, (2014)