Découverte de vents supersoniques dans la haute atmosphère de Titan
Publié par Adrien le 17/04/2019 à 08:00
Source: CNRS-INSU
Une équipe internationale menée par des chercheurs du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (LESIA, CNRS/Observatoire de Paris - PSL/Sorbonne Université/Université Paris Diderot) vient de réaliser la première mesure directe de la vitesse (On distingue :) des vents dans la très haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de Titan (Cliquez sur l'image pour une description) grâce à 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'interféromètre ALMA. L'étude, à paraître dans la revue Nature Astronomy du 15 avril 2019, met en évidence la présence à 1000 km d'un fort vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel...) supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) équatorial parcourant Titan d'Ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).) en Est à une vitesse de 350 m/s dont l'origine reste à expliquer.


Titan, le plus gros satellite de Saturne ©NASA

Titan, le plus gros satellite de Saturne tourne relativement lentement sur lui-même en 16 jours. Or, son atmosphère épaisse, qui s'étend jusqu'à environ 1500 km au-dessus de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...), tourne dans le même 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 allant...) que Titan mais beaucoup plus rapidement. Ainsi, à 300 km d'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 qui explique la répartition de la...) les vents zonaux, c'est-à-dire parallèles à l'équateur et qui tournent d'Ouest en Est, peuvent atteindre 200 m/s, ils font alors le tour de Titan en seulement 24 h environ. L'atmosphère est dite en super-rotation. Ce phénomène n'est observé que sur deux objets du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre...): Vénus et Titan. Celle-ci est comprise comme étant due à l'effet combiné de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) méridienne et d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) transportant du moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) vers l'Equateur. 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, l'espace qui est au-delà....) 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...), qui a observé l'atmosphère de Titan de 2004 à 2017, n'emportait pas d'instrument dédié à la mesure directe des vents. Néanmoins grâce à la mesure des champs de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) (déterminés à partir de l'émission 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 phénomènes physiques, en...) de l'atmosphère) les vents et leurs changements saisonniers ont pu être déterminées jusqu'à environ 400 km. Cependant, au-dessus de cette altitude, le régime des vents était jusqu'à présent très mal connu.

Comment mesurer les vents dans la haute atmosphère de Titan ?

C'est grâce à la résolution spectrale et spatiale inégalée de l'interféromètre ALMA que les chercheurs ont maintenant accès à une mesure directe et précise de la vitesse des vents par mesure du décalage Doppler des raies moléculaires présentes dans l'atmosphère de Titan.


Décalage Doppler observé entre les limbes Ouest (en rouge) et Est (en noir) de la région équatoriale pour deux raies de CH3CN (l'une centrée à 349.44699 GHz, correspondant au zéro de l'échelle en fréquence) et une raie de HNC (isomère de HCN, centrée à 362.63030 GHz). Le décalage des spectres entre les 2 limbes est dû à des vents rapides tournant dans le même sens que la surface de Titan.

Les 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.) utilisées ont une résolution spatiale permettant de résoudre le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de Titan (1 arcsec en incluant son atmosphère) et d'isoler l'émission au limbe. Les chercheurs ont analysé des données acquises en 2016 pour réaliser des cartes de vents à partir des décalages Doppler des raies d'émission de HCN, DCN, CH3CN, CH3CCH, HC3N et HNC. Les cartes de vents obtenues pour chacune de ces molécules indiquent la présence de forts vents progrades avec des vitesses de l'ordre de 250-350 m/s et des structures différentes d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) à l'autre.


Cartes des vents mesurés à partir des décalages Doppler de CH3CN (à gauche) et HNC (à droite). La distance est exprimée en rayon de Titan. La couleur bleue indique des vents qui s'approchent de nous et la couleur jaune-orangée des vents qui s'éloignent. Les vents mesurés à partir de CH3CN montrent une asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) hémisphérique avec des vents plus forts dans l'hémisphère sud (L'hémisphère sud ou hémisphère austral est la moitié du globe terrestre qui s'étend entre l'équateur et le pôle Sud. En astronomie, ce terme...) (en automne) que dans l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). Les vents mesurés à partir de HNC présentent au contraire une structure localisée 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, Kaupifalco, Megatriorchis,...) de l'équateur dont la vitesse atteint 350 m/s, soit 1.4 fois la vitesse du son !

A quelle altitude sont localisés ces vents ?

La modélisation de la forme d'une raie moléculaire et de son intensité permet de remonter à la distribution verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de l'abondance de la molécule et de connaître la gamme d'altitude d'où provient son émission. C'est dans cette même région que les vents déduits par décalage Doppler sont mesurés. Chacune des six molécules étudiées permet de sonder une gamme d'altitude qui lui est propre. Il est ainsi possible de remonter à une distribution verticale des vents de 300 km à 1000 km d'altitude.


Vitesses des vents équatoriaux mesurés à partir des décalages Doppler des raies de chacune des molécules étudiées: HNC (violet), HCN (rouge et jaune), HC3N (turquoise), CH3CN (noir), DCN (vert) et CH3CCH (bleu). Les gammes d'altitude sondées pour chacune de ces molécules sont indiquées par les barres verticales.A l'équateur, la vitesse du vent croît avec l'altitude, passant d'environ 200 m/s à 300 km à 300 m/s à 1000 km.

Quelle est l'origine de ces vents

L'existence de vents si rapides dans la thermosphère (La thermosphère est la couche d'atmosphère terrestre qui se situe au-dessus de la ionosphère. Elle commence à l'altitude de 90-100 km.) de Titan (au-dessus de 600 km) n'était pas attendue. En effet, les modèles pré-Cassini prédisaient l'existence d'un régime de vent thermosphérique soufflant du côté jour (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...) vers le côté nuit, comme sur Vénus. Or la mission Cassini a mesuré les températures dans la thermosphère de Titan: aucune corrélation entre la température, 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.), longitude (La longitude est une valeur angulaire, expression du positionnement est-ouest d'un point sur Terre (ou sur une autre planète).) ou les conditions d'ensoleillement n'a été trouvée, ce qui suggère que la température de cette région n'est pas contrôlée principalement par l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...) du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) solaire UV. Le fort vent mesuré ne trouve donc sans doute pas sa source dans le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) de la haute atmosphère par le flux solaire.

La source énergétique de ce vent pourrait-elle être liée à l'impact des ions et des électrons en provenance de Saturne et transportés dans la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) 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 gravité la...) ? Le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un...) magnétosphérique qui tourne avec Saturne impacte Titan à une vitesse 120 km/s. Il génère de la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement...) dans l'ionosphère (L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz...) de Titan qui pourrait, par collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) entre les ions et les molécules neutres, être à l'origine de vents dans l'atmosphère neutre située plus profondément. Cependant ces vents ne devraient pas a priori pénétrer plus profondément que 1000 km d'altitude.

Il est en fait plus probable que les forts vents mesurés à partir des données ALMA au-dessus de 600 km d'altitude trouvent leur source dans l'atmosphère plus profonde. En effet des ondes produites dans la stratosphère (La stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère et sous la mésosphère. Les températures atteintes dans...) en réponse aux variations diurnes de l'insolation peuvent se propager vers la haute atmosphère. Ces ondes de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) qui ont été observées par Cassini-Huygens et depuis le sol pourraient ainsi transférer de la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait...) des basses couches de l'atmosphère vers les couches situées à haute altitude en provoquant une accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) du vent équatorial au-dessus de 600 km. Ce scénario est pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être...) qualitatif et doit encore être modélisé.

Le suivi de l'évolution saisonnière de ces vents avec ALMA ainsi que leur simulation détaillée seront indispensables pour mieux comprendre leur origine.
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