Nuage d’Arsia Mons : sur Mars, de la glace qui se formerait sans poussière

Chaque matin, pendant plusieurs mois de l’année martienne, un nuage de glace d’eau s’étire depuis le flanc ouest d’Arsia Mons, un relief de 20 km, jusqu’à 1 800 km de long, puis s’évapore avant l’après-midi. Une étude parue le 7 octobre 2026 dans Nature Geoscience, menée au Laboratoire de Météorologie Dynamique et au LATMOS, propose d’expliquer sa formation par un processus qui n’a jamais été observé dans la nature : une glace née directement de la vapeur, sans grain de poussière pour l’amorcer. Ce processus est déduit d’un modèle qui reproduit le nuage, pas mesuré sur place.

Le phénomène pose une question de physique avant d’être une actualité. Comment une montagne, qui ne bouge pas, peut-elle fabriquer en une matinée un nuage presque deux fois plus long que le Royaume-Uni, selon la comparaison de l’ESA, puis le défaire en quelques heures ? Et pourquoi les modèles qui savaient reproduire sa naissance échouaient-ils à reproduire son éclat et sa traînée ? La réponse que propose l’étude tient en une chaîne : un vent, un ressaut, un refroidissement brutal, puis une glace qui se forme sans support. Le dernier maillon est le plus fragile. C’est aussi celui qui touche aux hypothèses des modèles de nuages d’autres atmosphères.

Arsia Mons, 20 km de relief et un sillage de glace de 1 800 km

La première image du nuage trompe l’œil. Une longue traînée blanche qui part d’un volcan évoque un panache d’éruption. Il n’en est rien : le nuage d’Arsia Mons, que les chercheurs désignent par le sigle AMEC (pour Arsia Mons Elongated Cloud), est fait de glace d’eau, et c’est le relief du volcan, pas une éruption, qui le fabrique. Arsia Mons fonctionne ici comme un obstacle de 20 km de haut placé sur la route du vent.

Les météorologues parlent de nuage orographique : un nuage lié au relief, comme ceux qui restent accrochés sous le vent des montagnes terrestres. L’air que le relief force à s’élever se refroidit, et sa vapeur peut alors se changer en gouttelettes ou en glace. Le nuage dépend donc du vent et de la pente, pas du sous-sol. Sur Mars, l’objet change d’échelle. La tête du nuage, posée sur le flanc ouest du volcan, mesure environ 120 km ; la queue dépasse 1 000 km et peut atteindre 1 800 km vers l’ouest, pour une largeur qui va jusqu’à 150 km. Les auteurs du modèle publié en 2022 dans le Journal of Geophysical Research : Planets le décrivent comme le plus long nuage orographique observé dans le Système solaire.

L’échelle de temps compte autant que l’échelle d’espace. D’après la description publiée en 2021 par Jorge Hernández-Bernal et ses collègues, la croissance commence avant le lever du Soleil sur le flanc ouest et dure environ deux heures et demie ; certains comptes rendus parlent de trois heures, ce qui reste du même ordre. Pendant cette phase, le nuage s’allonge vers l’ouest à environ 170 m/s, soit plus de 600 km/h, vers 45 km d’altitude, dans la mésosphère martienne. Puis il se détache du volcan, dérive vers l’ouest et s’évapore en fin de matinée.

Le nuage vit donc une matinée. Mais il revient le lendemain, et le jour suivant, pendant plusieurs mois. Éphémère à l’échelle d’une journée, récurrent à l’échelle d’une saison : cette combinaison explique à la fois sa régularité et la difficulté de l’observer.

Sur Terre comme sur Mars, la glace naît d’habitude sur un grain de poussière

Pour comprendre ce que l’étude de 2026 avance, il faut séparer deux façons de faire de la glace à partir de vapeur. La confusion est courante : on imagine que la vapeur gèle dès qu’il fait assez froid. En réalité, dans une atmosphère, elle ne se transforme presque jamais en glace sans aide.

La voie ordinaire s’appelle nucléation hétérogène. La vapeur se dépose sur une particule déjà présente — poussière, sel, suie — qui sert d’amorce. Cette amorce règle un problème d’énergie. Pour qu’un cristal apparaisse à partir de rien, il faut d’abord assembler un embryon minuscule. Or une très petite particule a beaucoup de surface pour peu de volume, et créer une surface coûte de l’énergie. Tant que l’embryon reste minuscule, ce coût l’emporte, et il a tendance à se défaire. Une particule préexistante offre une surface toute faite : la glace n’a plus à payer ce coût d’entrée.

L’autre voie, la nucléation homogène, se passe d’amorce. La glace se forme directement à partir de la vapeur, sans particule préexistante. Pour franchir la barrière d’énergie sans aide, il faut une sursaturation énorme, c’est-à-dire un air qui contient beaucoup plus de vapeur que sa température ne lui permet d’en garder à l’équilibre. Une humidité relative de 100 % marque ce seuil d’équilibre ; la nucléation homogène exige d’aller très au-delà.

Ce processus figure dans les manuels, mais au rang de physique théorique : jugé possible dans les mésosphères de la Terre et de Vénus, il n’avait jamais été observé dans la nature, où l’on pense en général qu’il ne se produit pas. C’est ainsi que Jorge Hernández-Bernal, auteur principal de l’étude, en résume le statut dans le communiqué de l’ESA. La raison tient à la sursaturation que réclame ce processus : en temps normal, les amorces ne la laissent pas s’installer. La poussière est la règle. Son absence fait l’exception.

Une onde de relief qui fait chuter la température de 30 degrés en dix minutes

Le premier maillon de la chaîne est dynamique, et il était compris avant l’étude de 2026. En 2022, l’équipe du Laboratoire de Météorologie Dynamique a publié dans le Journal of Geophysical Research : Planets une simulation régionale de l’écoulement autour d’Arsia Mons, assez fine pour suivre l’air sur les flancs du volcan. Le vent y dévale d’abord la pente : le modèle décrit une tempête de vent descendante. Au pied de cette descente, l’écoulement forme un ressaut, comparable à l’eau qui remonte brusquement au pied d’un déversoir. Ce ressaut projette l’air vers le haut, de plusieurs kilomètres en quelques minutes. Le courant ascendant se place à l’endroit et au moment où apparaît la tête du nuage.

Pourquoi un air qui monte se refroidit-il ? En s’élevant, il rencontre une pression plus faible, se détend, et cette détente abaisse sa température. Dans le modèle de 2022, le refroidissement atteint 30 K entre 40 et 50 km d’altitude. Le communiqué de l’ESA du 7 octobre 2026 le traduit en durée : 30 degrés perdus en dix minutes. Un écart de 30 kelvins et un écart de 30 degrés Celsius désignent la même chose ; seule l’origine des deux échelles diffère.

Reste le point décisif : ce refroidissement ne retire pas de vapeur à l’air. Il en change la capacité. La quantité de vapeur qu’un air peut contenir à l’équilibre chute quand la température baisse. La quantité réelle, elle, reste la même dans la parcelle qui monte. L’humidité relative — le rapport entre ce que l’air contient et ce qu’il pourrait contenir — s’envole donc. C’est ainsi qu’un air ordinaire devient sursaturé en quelques minutes.

Le modèle de 2022 reproduisait bien le cycle quotidien de la tête du nuage. Il butait plus loin. Son nuage simulé restait trop pâle et ne développait pas la longue queue observée. La dynamique expliquait la naissance du nuage ; la manière dont la vapeur devenait glace restait à comprendre.

De la vapeur changée en glace sans support : la nucléation homogène

Le maillon contre-intuitif est là. Mars est une planète poussiéreuse, et le nuage apparaît précisément pendant la saison des poussières. On s’attendrait donc à ce que la glace d’Arsia Mons se forme de la manière ordinaire, sur des grains. En temps normal, ces grains consomment l’excès de vapeur : dès que l’air dépasse la saturation, la vapeur se dépose sur eux, et la sursaturation retombe avant d’atteindre le niveau qu’exige la nucléation homogène. C’est la raison pour laquelle celle-ci passe pour improbable.

Au-dessus d’Arsia Mons, deux conditions changent l’issue. D’abord la vitesse : avec 30 degrés perdus en dix minutes, l’humidité relative grimpe beaucoup plus vite que la vapeur ne peut se déposer. Ensuite la rareté des amorces à cette altitude : dans le modèle simplifié de l’étude, dit « en zéro dimension » parce qu’il réduit l’atmosphère à une seule parcelle d’air, sans étendue ni relief, les hypothèses retiennent 0,1 grain de poussière par cm³, d’un micromètre de rayon, pour 70 parties par million en volume de vapeur d’eau. Peu de grains, c’est peu de surface pour absorber l’excès. Le raisonnement physique sous-jacent est une course : le refroidissement fait monter la sursaturation plus vite que les rares grains ne peuvent la faire redescendre. Selon l’ESA, la vapeur se change alors directement en glace. Cette course est une lecture du modèle, pas une mesure faite sur Mars.

L’étude publiée le 7 octobre 2026 dans Nature Geoscience consiste précisément à introduire un modèle de nucléation homogène de la glace dans un modèle météorologique martien. La simulation reproduit alors les traits distinctifs du nuage que la microphysique classique, fondée sur les seules amorces, ne parvenait pas à reproduire. L’article est signé notamment par Jorge Hernández-Bernal, Aymeric Spiga et François Forget, du Laboratoire de Météorologie Dynamique (Sorbonne Université, ENS-PSL, CNRS, École polytechnique), et par Anni Määttänen, du LATMOS (IPSL), avec un financement du Conseil européen de la recherche (convention 835275).

La portée de ce résultat se lit avec précision. L’étude n’observe pas la nucléation homogène. Elle montre qu’un modèle qui l’inclut reproduit un nuage que les modèles sans elle ne reproduisent pas. C’est un argument par reproduction : fort, parce que l’alternative échouait, mais indirect, parce qu’aucun instrument n’a vu les cristaux naître sans amorce. Les auteurs concluent que leur résultat suggère fortement que le processus se produit sur Mars, et le titre publié emploie le verbe suggested. L’accord n’est pas parfait non plus : selon l’ESA, certains aspects du nuage modélisé ne correspondent pas exactement aux observations, même si les chercheurs jugent la correspondance comme un succès important. S’il y a une première, c’est celle d’une inférence. Pas d’une observation.

Des centaines de cristaux par centimètre cube, et un nuage enfin assez brillant

Le choix de la voie de nucléation change ce que voient les caméras. Une glace qui naît sur des amorces rares produit peu de cristaux : leur nombre est limité par celui des grains disponibles, et chacun grossit en captant la vapeur. Une glace qui naît sans amorce produit au contraire une multitude de cristaux minuscules, partout où la sursaturation franchit le seuil.

Les chiffres de la simulation donnent l’ordre de grandeur. Dans la colonne d’atmosphère proche d’Arsia Mons, le modèle avec nucléation homogène produit environ 200 particules de glace par cm³, d’une taille effective voisine de 0,25 micromètre, et une épaisseur optique de 0,36 (données étendues de l’article, figure 3). L’épaisseur optique mesure à quel point une colonne atténue la lumière qui la traverse : plus elle est élevée, plus le nuage est visible. En regard, l’hypothèse de poussière du modèle simplifié de l’étude est de 0,1 grain par cm³ (figure 1). Ces valeurs sont des sorties et des hypothèses de modèles, issues de figures distinctes, pas des mesures. Elles ne se prêtent pas à un rapport précis. L’écart d’ordre de grandeur reste lisible : quelques centaines de cristaux d’un côté, une fraction de grain de l’autre.

Or un nuage fait de nombreux petits cristaux est plus visible qu’un nuage fait de quelques gros. C’était exactement le défaut du modèle de 2022 : son nuage avait une épaisseur optique trop faible et ne développait pas de queue. Le modèle qui intègre la nucléation homogène reproduit à la fois la brillance et la traînée qui manquaient. C’est sur ce constat que repose l’argument.

Cent mille fois l’humidité ordinaire, un niveau déduit du modèle

Le niveau de sursaturation en jeu porte tout l’argument, et c’est aussi le chiffre le plus fragile du dossier. Pour le situer, il faut un point de comparaison martien. Des mesures de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter publiées dans Science par Fedorova et ses collègues (DOI 10.1126/science.aay9522), présentées par le CNRS le 9 janvier 2020, ont montré que de larges poches de l’atmosphère martienne sont sursaturées en vapeur d’eau au-delà de 80 km d’altitude pendant la saison des poussières : elles contiennent 10 à 100 fois plus de vapeur que leur température ne le permettrait. Ce résultat avait déjà surpris, et cette sursaturation favorise l’échappement de l’eau vers l’espace — une autre facette de l’histoire de l’eau martienne, que le sol raconte à sa manière, comme le montre ce que Curiosity a appris de l’habitabilité passée de Mars.

Le nuage d’Arsia Mons placerait la barre beaucoup plus haut. D’après le communiqué de l’ESA, sa formation exigerait une humidité relative plus de 100 000 fois supérieure à celle que l’on connaît d’habitude dans la vie quotidienne sur Terre. Les deux chiffres ne sont pas définis de la même façon : l’un rapporte la vapeur à la saturation, l’autre compare à une humidité terrestre ordinaire. Ils ne se divisent donc pas l’un par l’autre. Comme ordre de grandeur, l’écart reste de plusieurs puissances de dix. Ce niveau n’a pas été mesuré au-dessus d’Arsia Mons. Il est déduit du fait que seul le modèle qui l’atteint reproduit le nuage. L’auteur principal le dit sans détour dans le communiqué de l’ESA : « Nous n’avions jamais vu ces conditions sur Mars, mais notre résultat suggère désormais fortement que l’humidité de la planète peut bel et bien atteindre ces niveaux extrêmes. » La phrase tient les deux bouts : pas vu, mais rendu probable.

Un second facteur borne la conclusion. La nucléation homogène est gouvernée par l’énergie de surface du minuscule cristal, c’est-à-dire le coût de la barrière décrite plus haut. Cette constante est difficile à mesurer aux températures en jeu. Les auteurs ont testé la sensibilité de leur modèle : une baisse de 2 % ou de 5 % de cette énergie rend le nuage simulé plus brillant, plus large et un peu plus long (données étendues, figure 4). Quelques pour cent suffisent à déplacer le résultat. Le diagnostic dépend donc aussi de constantes que seul le laboratoire peut préciser.

Matin, saison des poussières, années d’orage : les conditions du phénomène

La chaîne ne fonctionne pas toute l’année. Le nuage apparaît au printemps et en été de l’hémisphère sud martien, dans une fenêtre que les planétologues repèrent par la longitude solaire, notée Ls, qui situe Mars sur son orbite en degrés : entre environ 220° et 320°, autour du solstice austral. C’est aussi la saison des poussières. Pendant cette période, le nuage revient chaque matin, plusieurs mois durant.

Cette régularité tient à une conjonction de conditions nécessaires. Il faut le relief, qui fournit l’obstacle. Il faut le vent fort de la saison : les vents les plus forts au sommet coïncident avec la saison et l’heure du nuage. Il faut assez de vapeur d’eau en altitude pour que la sursaturation produise de la glace. Et il faut l’heure matinale, celle où l’écoulement produit le refroidissement décrit plus haut. Qu’un seul maillon manque, et la chaîne se rompt.

Les observations montrent qu’elle se décale parfois. Selon l’étude de 2021, qui couvre les années martiennes 29 à 34, la formation a commencé plus tard que les autres années en année 34, probablement à cause de la tempête de poussière globale de cette année-là. L’activité était aussi plus faible en année 33. Le nuage est saisonnier, pas garanti.

Mars Express, l’orbite qui voit Mars le matin

Un nuage de 1 800 km de long est resté longtemps mal compris pour une raison d’horaire : il naît avant l’aube et disparaît en fin de matinée. Beaucoup d’orbiteurs ne peuvent observer cette région qu’à partir de l’après-midi, quand il s’est évaporé. L’orbite de Mars Express, la sonde de l’ESA, permet au contraire de la voir le matin.

L’instrument décisif n’avait pas de vocation scientifique. La VMC (Visual Monitoring Camera), une caméra de qualité webcam, avait été installée pour vérifier la séparation de l’atterrisseur Beagle 2 en 2003. Elle a été reclassée en instrument scientifique, et l’étude de 2021 s’appuie sur 63 de ses observations, selon l’ESA. La caméra HRSC et le spectromètre OMEGA de la même sonde apportent la vision stéréo et la composition. L’ESA signale que la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter peut, elle aussi, observer aux heures matinales.

Le nuage n’était pas inconnu pour autant. La sonde Viking 2 l’avait partiellement imagé dans les années 1970, et l’étude de 2021 rassemble des images de cinq orbiteurs — Mars Express, MAVEN, Viking 2, MRO et Mars Orbiter Mission — sur les années martiennes 29 à 34. C’est à partir de 2018, quand Mars Express l’a mis en avant, qu’il a été suivi, décrit et nommé. Les orbiteurs martiens ont aussi d’autres usages, dont il est question à propos du relais de télécommunications vers Mars. Pour ce nuage, l’heure de passage a tout décidé.

Mésosphère terrestre, Vénus, autres mondes : une piste ouverte par un nuage martien

La portée de l’étude dépasse Mars sans s’étendre à tout. Si de la glace peut naître sans amorce dans une atmosphère réelle, les modèles de nuages des hautes atmosphères, qui supposent toujours une amorce, pourraient devoir intégrer ce second chemin. Les premiers concernés sont ceux où le processus avait été jugé possible en théorie : la mésosphère terrestre et celle de Vénus, et plus largement les atmosphères d’autres planètes, un champ que prolonge aussi l’étude de l’atmosphère d’une exoplanète rocheuse. L’étude dit que son résultat remet en cause certaines hypothèses. Elle ne démontre rien pour la Terre, ni pour ses nuages, ni pour son climat.

Reste la question que le nuage laisse ouverte. Le niveau d’humidité qu’exige le modèle n’a jamais été mesuré au-dessus d’Arsia Mons, et l’énergie de surface qui gouverne la barrière reste mal connue à ces températures. Une mesure de la vapeur vers 45 km d’altitude, au petit matin, pendant la saison du nuage, donnerait à l’inférence un appui direct, ou la contredirait. D’ici là, la nucléation homogène sur Mars reste ce que le titre publié dit d’elle. Suggérée, pas observée.

FAQ — nuage d’Arsia Mons

Le nuage d’Arsia Mons est-il un panache volcanique ?

Non. C’est un nuage de glace d’eau lié au relief, dit orographique. Le volcan, haut d’environ 20 km, agit comme un obstacle sur la route du vent ; aucune éruption n’intervient dans sa formation.

Quelle est la taille du nuage d’Arsia Mons ?

Il peut s’étirer jusqu’à 1 800 km vers l’ouest, presque deux fois la longueur du Royaume-Uni selon l’ESA, pour une largeur allant jusqu’à 150 km. Sa tête, sur le flanc ouest du volcan, mesure environ 120 km.

Quand le nuage apparaît-il ?

Chaque matin, pendant plusieurs mois, au printemps et en été de l’hémisphère sud martien, durant la saison des poussières. Il grandit avant l’aube pendant environ deux heures et demie, se détache, dérive vers l’ouest et s’évapore en fin de matinée.

Qu’est-ce que la nucléation homogène ?

C’est la formation de glace directement à partir de la vapeur, sans particule préexistante. D’ordinaire, la glace se forme sur une amorce — poussière, sel, suie — qui lui évite de créer de toutes pièces un cristal minuscule, coûteux en énergie. Sans amorce, il faut une sursaturation énorme.

Pourquoi l’air devient-il si humide au-dessus du volcan ?

Le vent dévale la pente, forme un ressaut et projette l’air vers le haut. En montant, l’air se détend et perd environ 30 degrés en dix minutes. Sa capacité à contenir de la vapeur chute, et son humidité relative s’envole : selon l’ESA, plus de 100 000 fois celle de la vie quotidienne sur Terre. Ce niveau est déduit du modèle, pas mesuré.

La nucléation homogène a-t-elle été prouvée sur Mars ?

Non. Elle est inférée : un modèle météorologique martien qui l’inclut reproduit le nuage, ce que les modèles fondés sur la poussière ne faisaient pas. Le titre publié dans Nature Geoscience emploie le mot suggested, et certains aspects du nuage simulé ne correspondent pas exactement aux observations.

Quels instruments ont observé le nuage d’Arsia Mons ?

Surtout la sonde Mars Express de l’ESA, dont l’orbite permet d’observer la région le matin : la caméra VMC, la caméra HRSC et le spectromètre OMEGA. L’ESA signale que la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter peut aussi observer à ces heures.