Coup de tonnerre sur la météorologie de Jupiter

Publié par Adrien le 06/08/2020 à 09:00
Source: CNRS
De nouveaux résultats de la sonde Juno suggèrent que de violents orages animent Jupiter et génèrent des grêlons d'ammoniaque qui jouent un rôle clé dans la dynamique atmosphérique de cette planète. Cette théorie, développée par l'équipe Juno à partir de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) du radiomètre microondes de la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines,...), est décrite dans deux publications dirigées 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...) du laboratoire Lagrange (CNRS/Observatoire de la Côte d'Azur/Université Côte d'Azur), avec le soutien du CNES. Elle lève le voile sur certains mystères de la météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre comment ils se forment et évoluent en...) de Jupiter et a des implications quant au fonctionnement de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) des planètes gazeuses en général. Une série de trois articles publiés dans les revues Nature et JGR Planets présente ces résultats.


Cyclone observé dans l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de Jupiter par JunoCam en juillet 2018. La partie centrale s'étend sur 3 200 x 3 800 km. Des nuages blancs d'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote...) sont visibles, en rotation dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) des aiguilles d'une montre. Des nuages s'élevant jusqu'à 15 km au dessus du reste (d'après l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se réfléchit cette lumière. Elle se...) qu'ils laissent) sont visibles à plusieurs endroits, et notamment dans la partie centrale supérieure du cyclone. On pense que ces orages incluent une forme de grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont...) d'ammoniaque particulière à l'atmosphère de Jupiter (L’atmosphère de Jupiter est la plus importante des atmosphères des planètes du système solaire. Elle est composée principalement d'hydrogène et d'hélium ; les autres composants chimiques sont...) qui entraîne l'ammoniac en profondeur et permet d'expliquer la présence d'éclairs peu profonds.
© NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

L'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) est un élément essentiel à la météorologie des planètes et a un rôle prépondérant lors de leur formation. Les orages terrestres sont mus par la 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...) de l'eau, et la présence de ses trois phases (solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et vapeur) est essentielle à la formation d'éclairs. Comme 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...), l'eau de Jupiter est déplacée par des orages. Ceux-ci doivent se former au sein de son atmosphère profonde, environ 50 km en dessous des nuages visibles, où la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) avoisine 0°C. Lorsque ces orages sont suffisamment intenses, ils apportent des cristaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) dans la haute atmosphère.

Dans un premier article, des chercheurs américains et du laboratoire Lagrange suggèrent que lorsque ces cristaux interagissent avec de l'ammoniac gazeux, l'ammoniac agit comme un antigel et change la glace en liquide. Sur Jupiter comme sur Terre, de l'eau mélangée à un tiers d'ammoniac reste liquide jusqu'à -100°C. Les cristaux de glace qui ont été amenés haut dans l'atmosphère jovienne sont donc liquéfiés par l'ammoniac pour former des grêlons d'ammoniac-eau, ou grêlons d'ammoniaque. Plus lourds, ces derniers redescendent jusqu'au moment où, Jupiter ne possédant pas de 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...), ils s'évaporent. Ce mécanisme entraîne l'ammoniac et l'eau profondément dans 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 gravité la maintienne en équilibre...).

Or les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) de Juno montrent que, si l'ammoniac est très présent dans la zone équatoriale de Jupiter, son abondance est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...) et généralement faible ailleurs, jusqu'à des grandes profondeurs. Avant Juno, les scientifiques avaient mis en évidence cet appauvrissement jusqu'à des zones peu profondes et ceci n'avait jamais été expliqué. Pour expliquer cet appauvrissement jusque dans l'atmosphère profonde, les chercheurs ont développé un modèle de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) atmosphérique présenté dans un deuxième article. Ils montrent que la présence d'orages et la formation de grêlons d'ammoniaque conduisent à assécher l'atmosphère profonde en ammoniac et rendent compte des variations observées par Juno en fonction de la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.).


Représentation d'un orage intense dans Jupiter, prenant naissance environ 50km sous les nuages visibles par la condensation de l'eau. Des courants ascendants transportent des cristaux de glace vers le haut. Quand ceux-ci traversent une région située environ 25km sous les nuages supérieurs, à des températures comprises entre -85°C et -100°C (zone hachurée en vert), la vapeur () d'ammoniac fait fondre les cristaux de glace qui grossissent pour devenir de la grêle d'ammoniaque. Cette grêle tombe vers les profondeurs, grossit pour inclure une croûte de glace solide puis s'évapore, transportant ainsi à la fois l'ammoniac et l'eau dans l'atmosphère profonde de Jupiter. La détection par la sonde Juno d'éclairs peu profonds, provenant d'une région où les températures sont inférieures à -66°C indique que le liquide d'ammoniac-eau ainsi que des grosses particules doivent effectivement être présentes à ces altitudes.
© NASA/JPL-Caltech/SwRI/CNRS

Dans un troisième article, les chercheurs analysent des observations d'éclairs joviens par une des caméras de Juno. Les éclairs apparaissent comme des taches brillantes au sommet des nuages, avec des tailles proportionnelles à leur profondeur dans l'atmosphère jovienne. Contrairement aux missions précédentes qui avaient seulement observé des éclairs provenant de zones profondes, la proximité de Juno a permis la détection d'éclairs moins intenses et peu profonds. Ils proviennent de zones où les températures sont inférieures à -66°C et l'eau seule ne devrait pas se trouver à l'état liquide. Or on pense que la présence d'un liquide est cruciale pour la formation d'éclairs dans Jupiter.

La présence de grêlons d'ammoniaque partiellement liquides et les collisions entre particules engendrées par ces grêlons génèrent des différences de potentiel importantes entraînant la formation d'éclairs. La détection par Juno de ces éclairs peu profonds, à des altitudes où le mélange liquide ammoniac-eau peut se former, est ainsi une confirmation observationnelle que ce nouveau mécanisme serait à l'oeuvre dans l'atmosphère de Jupiter.

Comprendre la météorologie de cette planète et des autres géantes gazeuses comme Uranus et Neptune, encore inexplorées, permettra de mieux appréhender le fonctionnement d'exoplanètes gazeuses au-delà de notre système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...).

Bibliographie

Storms and the Depletion of Ammonia in Jupiter: I. Microphysics of “Mushballs”. T. Guillot, D. J. Stevenson, S. K. Atreya, S. J. Bolton, H. N. Becker. JGR Planets, le 6 août 2020. DOI: 10.1029/2020JE006403.

Storms and the Depletion of Ammonia in Jupiter: II. Explaining the Juno observations. T. Guillot, C. Li, S. J. Bolton, S. T. Brown, A. P. Ingersoll, M. A. Janssen, S. M. Levin, J. I. Lunine, G. S. Orton, P. G. Steffes, D. J. Stevenson. JGR Planets, le 6 août 2020. DOI: 10.1029/2020JE006404.

Small lightning flashes from shallow electrical storms on Jupiter. H. N. Becker, J. W. Alexander, S. K. Atreya, S. J. Bolton, M. J. Brennan, S. T. Brown, A. Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.), T. Guillot, A. P. Ingersoll, S. M. Levin1, J. I. Lunine, Y. S. Aglyamov, P. G. Steffes. Nature, le 6 août 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2532-1.
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