Découverte de vents supersoniques dans la haute atmosphère de Titan

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 des vents dans la très haute atmosphère de Titan (L’atmosphère de Titan est, à la différence de celle des autres satellites du...) grâce à des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) 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 supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) équatorial parcourant Titan d'Ouest en Est à une vitesse de 350 m/s dont l'origine reste à expliquer.


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, tourne dans le même sens que Titan mais beaucoup plus rapidement. Ainsi, à 300 km d'altitude 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...): 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...) méridienne et d'ondes transportant du moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) vers l'Equateur. La sonde Cassini, 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...) (déterminés à partir de l'émission thermique 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.


Les données utilisées ont une résolution spatiale permettant de résoudre le disque 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 à l'autre.

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 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.

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....) 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 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, longitude 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 du flux solaire UV. Le fort vent mesuré ne trouve donc sans doute pas sa source dans le chauffage 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 de la planète ? Le plasma 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 d'énergie qui implique un déplacement de...) dans l'ionosphère (L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la...) de Titan qui pourrait, par collision 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 en réponse aux variations diurnes de l'insolation peuvent se propager vers la haute atmosphère. Ces ondes de gravité 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...) 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,...) du vent équatorial au-dessus de 600 km. Ce scénario est pour l'instant 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.