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Posté par Adrien le Mardi 05/06/2018 à 00:00
Le retour de la couche détachée de Titan
Parmi les diverses structures que l'on trouve dans les atmosphères planétaires, les "couches détachées" sont en général remarquables. On en trouve dans l'atmosphère terrestre, sur Titan, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne et enfin sur Pluton (Pluton, dont la désignation officielle est (134340) Pluton, est la deuxième plus grande planète naine connue du système solaire et le 10e plus grand astre connu orbitant le Soleil....). Dans la plupart des cas, ce sont des structures temporaires issues d'un processus s (Le processus S (avec S pour slow, lent en anglais) est un processus de nucléosynthèse de capture de neutrons par des noyaux atomiques qui permet ainsi de produire des éléments lourds à partir d'éléments plus légers. Il se...)'écartant d'une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un...) stationnaire établie. Il s'agit de couches nuageuses transitoires ou de panaches de poussières produits par une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) particulière ou par une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) ondulatoire. Ces couches ont un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vie (La vie est le nom donné :) caractéristique de quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) ou quelques jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) et, en tous les cas, assez court par rapport au cycle saisonnier. Pour Pluton, l'activité ondulatoire semble travailler la couche de brume et créer des petites structures détachées semblables aux structures secondaires qui strient la couche détachée de Titan (Cliquez sur l'image pour une description). Pour autant, leurs modes de formation peuvent différer. Ces structures sont particulièrement intéressantes car elles révèlent les interactions entre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et les processus physiques.

La couche détachée de Titan est particulière et diffère de celles trouvées sur les autres corps car elle semble être quasi-permanente et globale. Il s'agit d'une "coquille" de brume continue à toutes les longitudes couvrant la couche principale du pôle sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent Antarctique.) à la région polaire nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), où elle fusionne avec la couche polaire d'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) (Figure 1). Elle a été observée par l'instrument ISS des sondes Voyager (Voyager 1 et 2 sont des sondes spatiales ayant réalisé depuis 1977 une moisson d'observations astronomiques qui ont plus d'une fois mis en question les théories planétologiques au cours d'une...) en 1980 et 1981 puis de nouveau par ISS sur 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...) en 2004. Entre ces deux dates, la couche est montée d'une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique...) de 350 km à 515 km ce qui paraîssait, au départ, mystérieux. Les modèles de climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se...) montrent que cette couche est modelée par les vents et constitue un révélateur de la circulation atmosphérique. C'est aussi l'endroit où convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) et se mélangent les produits de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) (molécules organiques et prébiotiques, précurseurs d'aérosols) formés à très haute altitude et les aérosols déjà anciens de la couche principale. Cette 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...) a cependant été contestée et mise en concurrence avec d'autres scénarii basés sur le rôle des processus microphysique uniquement.


Figure 1: Photos de Titan recomposées en couleur à partir 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...) de l'imageur ISS à bord de Cassini. A gauche: Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) globale de la couche détachée, fin liseré bleuté recouvrant entièrement la couche principale de Titan. A droite: Détail de la couche où l'on voit les stries probablement produites par de l'activité ondulatoire au dessus de la couche détachée. Crédit: NASA/JPL-Caltech/SSI/B. Seignovert

Le suivi de la couche détachée grâce aux observations de Cassini sur la période 2004-2017 a permis de cerner une fraction importante du cycle saisonnier sur Titan. Cette période inclut la transition de l'équinoxe (Les équinoxes de mars et de septembre sont les deux moments de l'année où le jour et la nuit sont approximativement de même durée. Lors des équinoxes, le soleil se lève exactement à l'Est et se couche exactement à l'Ouest. En astronomie,...) en 2009 qui voit la circulation basculer en quelques années, emportant ainsi la brume dans son mouvement. Alors qu'elle était stable depuis le début de la mission, à l'équinoxe, la couche détachée a commencé une descente rapide due à l'affaiblissement de la circulation verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) qui l'a amenée à 350 km en 2011, une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) Titanienne après les visites de 1980 et 1981. On comprend alors que Voyager a, en réalité, observé un moment de transition plutôt qu'une situation stationnaire. En 2011-2012, la couche détachée disparaît complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...). Les modèles de climat prédisent alors sa réapparition autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) du solstice (Le solstice est un événement astronomique qui se produit lorsque la position apparente du Soleil vu de la Terre atteint son extrême méridional ou septentrional.) suivant (avril 2017), directement à son altitude de départ, c'est à dire autour de 500 km10,11. Le retour de la couche détachée, dans les conditions prédites, constitue le test ultime pour valider l'origine dynamique de cette couche.

La réapparition, attendue au solstice, a eu lieu en réalité au début de 2016. Par une coincidence incroyable, Robert West était au GSMA pendant cette nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) du cycle saisonnier, invité pendant 4 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) grâce au programme "Expertise de 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 recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) invité" de la région Champagne-Ardenne. Nous avons donc pu analyser cette structure en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des...) d'apparaître, en profitant d'un accès direct (Un logiciel fait un accès direct (aussi appelé accès aléatoire) à un élément (par exemple, un enregistrement d’un fichier)...) aux données et de son expertise sur ce type d'analyse. Une structure cohérente a pris forme à l'échelle de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...) et gagne en intensité au cours du temps. La surprise vient du fait que cette première couche tombe ensuite d'une centaine de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...) en une année et disparait, laissant place à une autre couche qui réapparait plus haut et semble plus stable (Figure 2). Mais, la fin de la mission Cassini, en septembre 2017, est venue interrompre ce suivi et nous ne saurons donc pas ce qu'il se passe ensuite. Seuls les modèles de climat pourront compléter l'histoire, avec l'aide de futures observations d'occultations stellaires, sensibles à la signature thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) de cette couche, et en attendant une nouvelle mission.


Figure 2: Carte de l'extinction de la brume à l'équateur en fonction du temps (niveau de couleur) et altitude de la couche détachée établie à partir des profils I/F de Cassini (disques rouges, losanges cyans, carrés jaunes), de Voyager (triangle bleu) et d'occultation (Une occultation est un phénomène de recouvrement apparent d'un élément par un autre.) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) (étoiles violette et verte). La taille des cercles rouges est proportionnelle à l'épaisseur verticale de la couche de brume détachée. Les lignes pointillées verticales indiquent les emplacements des images que nous avons utilisées pour établir la carte des contours.

Ce résultat valide complètement l'origine dynamique de la couche détachée de Titan et montre que son évolution est conforme aux principales prédictions des modèles. Cependant, des différences notables existent entre modèles et réalité: l'altitude de la couche détachée et le timing du changement dans les modèles ne sont pas exactement conformes à la réalité. De plus, la couche détachée apparaît comme un surplus d'aérosols au dessus de 500 km dans les modèles, ajouté à la brume principale, alors qu'en réalité la couche détachée est matérialisée par une zone entre les deux couches quasiment dépourvue d'aérosols. Le retour de la couche détachée se passe de façon inattendue, avec ce scénario en deux temps, et qui n'est peut-être pas terminé. Ces résultats vont donc donner des contraintes assez strictes aux modèles de climat pour mieux comprendre le cycle saisonnier des aérosols, mais aussi de la dynamique dans la mesosphère. Grâce au corpus de donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire,...) produit par les différents instruments de la mission Cassini, les études multi-instrumentales devraient, dans le futur, permettre d'étudier plus en détail ces interactions et de mieux caractériser cette zone éminemment complexe.


Figure 0: Petite collection de couches détachées observées dans le système solaire. De haut en bas et de gauche à droite, 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 planètes...), Mars, Vénus, Jupiter, Saturne et Pluton.

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Source: CNRS-INSU