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Posté par Adrien le Mardi 23/02/2016 à 00:00
La structure des " marais salants " de Titan révélée
Le plus important satellite de Saturne, Titan, possède de nombreuses caractéristiques qui en font un objet unique. Parmi celles-ci, la présence de lacs a été détectée dès 2007 grâce au RADAR de la sonde CASSINI. Ces étendues liquides participent au cycle "hydrologique" du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...). En effet, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de ce satellite (Satellite peut faire référence à :), voisine de -183°C, implique une "hydrologie" et une géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et λογος (logos, « parole »,...) très exotiques. Ainsi, la "croûte" titanienne est sans doute majoritairement composée de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.); sur laquelle on doit rencontrer des dépôts de matières organiques plus ou moins solubles dans le méthane et l'éthane liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). En 2011, des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des amateurs...) infrarouges et RADAR (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes...) ont permis de mettre en évidence l'existence de dépôts évaporitiques. Localisés dans le lit de lacs asséchés ou en cours d'asséchement, ces dépôts devraient avoir une composition variée. C'est ce qui vient d'être montré par une collaboration internationale, menées par un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) du laboratoire du Groupe de spectrométrie moléculaire et atmosphérique, GSMA (CNRS/Université de Reims Champagne-Ardenne). Les simulations numériques 1D et 2D, réalisées par cette équipe, indiquent que les bords de ces dépôts pourraient être formés de cyanure (Les cyanures sont les composés de l'anion CN-, formé d'un atome de carbone lié par une liaison triple à un atome d'azote. L'ion CN- est la base conjuguée de l'acide cyanhydrique.) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2.), de benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a d'ailleurs le...) ... tous à l'état solide et bien différents du carbonate de calcium et du chlorure de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps...), dont on est familier sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...).

La géologie de Titan (Cliquez sur l'image pour une description) est dominée par la glace d'eau, à laquelle s'ajoute en surface des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) organiques. En effet, son atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), aussi dense que celle de la Terre, composée principalement d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant...) et de méthane, produit de nombreuses espèces carbonées ou azotées. Les observations faites avec les instruments à bord de CASSINI (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale italienne (ASI). Son objectif est l'étude...) et les modèles d'atmosphère, incluant la photochimie, nous renseignent sur la nature de ces composés. Certains, rencontrant les conditions thermodynamiques de leur condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement...), précipitent à la surface de Titan sous forme liquide (c'est le cas de l'éthane) ou solide (comme pour le benzène ou le butane). A ceci s'ajoute un cycle "hydrologique" du méthane dans la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la saison. Elle est plus épaisse à l'équateur qu'aux pôles. La frontière entre la...) de Titan: des périodes d'averses de méthane, conduisant au remplissage des lacs, sont suivies par des périodes plus sèches pendant lesquelles une évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) significative peut avoir lieu. Durant celle-ci, les espèces organiques dissoutes peuvent atteindre la saturation et précipiter sur le fond du lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une zonation, ou une...). C'est ce scénario qui est schématisé sur la figure 1. Des simulations numériques ont donc permis d'explorer la composition et la structure de ces dépôts.


Figure 1 : Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) représentant la formation de dépôts évaporitiques à la surface de Titan. (a) La dépression servant de lit est remplie de méthane liquide, (b) le méthane s'est partiellement évaporé, laissant apparaître sur les bords deux types d'évaporite, ( c) le liquide s'est totalement évaporé, sur cet exemple les trois zones de couleurs différentes correspondent à trois types d'évaporites (éventuellement composés d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) de plusieurs espèces organiques). Crédits: Daniel CORDIER

Les recherches menées sont largement pluridisciplinaires: les calculs réalisés reposent sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation...) "PC-SAFT" très utilisée en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) chimique; de plus des modèles quantiques ont permis de préciser les propriétés des solides organiques impliqués. Les résultats obtenus indiquent l'existence d'une zone centrale (en gris-bleu sur la figure 1.c) riche en acétylène et en butane. Le retrait du liquide, au cours du processus d'évaporation, laisse apparaître des "anneaux" plus ou moins concentriques, que les anglophones appellent de façon imagée "bathtub rings". Ces anneaux (zones marrons et kakis sur les figures 1.b et 1.c) se divisent en deux ou trois zones dont l'une est dominée par du cyanure d'hydrogène (HCN), molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) toxique produite en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) par l'atmosphère de Titan. Suivant le scénario retenu, le ou les autres "anneaux" peuvent contenir différentes quantités de dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), de benzène ou d'acétonitrile (CH3CN). L'épaisseur des dépôts évaporitiques ne devrait pas excéder quelques millimètres si l'évaporation d'une colonne initiale de 100 mètres de liquide en est à l'origine. Cependant, la répétition annuelle, au cours de l'histoire de Titan, de cycles de précipitation/évaporation a pu conduite à des épaisseurs beaucoup plus importantes.

Globalement, les résultats des simulations sont en accord avec ce qui est observé avec les instruments de CASSINI. En outre, le grand pouvoir solvant trouvé pour l'éthane liquide peut expliquer l'absence d'évaporites dans la région du lac Ontario, situé dans la zone polaire sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de Titan. Finalement, le RADAR montre une surface, des parties centrales des dépôts, très brillantes aux longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) centimétriques. Ce fait intrigant peut être expliqué par l'existence de deux phases cristallines, comme suggéré par les simulations montrant les présences concomitantes de butane et d'acétylène solide.

Bien que les modèles actuels peuvent encore être améliorés, en particulier en réalisant des expériences de laboratoire portant sur la dissolution des molécules azotées, l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) in situ reste le moyen ultime d'en découvrir plus. Plusieurs concepts de mission ont été proposés ces dernières années, le dernier en date consistait en un sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de l'eau ; il se distingue ainsi des autres bateaux et navires qui se déplacent dans deux dimensions et uniquement...) dédié à l'exploration des lacs d'hydrocarbures. Une possibilité plus intéressant, mais plus coûteuse, serait offerte par un rover amphibie débutant sa mission par l'analyse des plages d'évaporites, et la poursuivant ensuite dans le liquide d'une formation lacustre partiellement remplie.

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Source: CNRS-INSU