Éclairs et grêle d'ammoniaque: les puissants orages de Jupiter

Publié par Redbran le 29/09/2022 à 13:00
Source: CNRS INSU
L'une des grandes surprises de la mission Juno de la NASA, en orbite autour de Jupiter depuis 2016, a été la découverte de la très grande variabilité des propriétés de son atmosphère profonde, à des dizaines, voire des centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) en dessous des nuages visibles. L'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des...), notamment, est très présent dans la zone équatoriale alors que son abondance est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) et généralement faible ailleurs, jusqu'à des grandes profondeurs. Mais quel est le mécanisme responsable de ces variations ?


Des nuages blancs, probablement de glace d'ammoniac, photographiés par la caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) JunoCam, lors d'un orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation...) jovien.
© NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Gerald Eichstädt

L'atmosphère de Jupiter (L’atmosphère de Jupiter est la plus importante des atmosphères des planètes...), faite essentiellement d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), deux gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) très légers, est très étendue. Les nuages d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), qui s'étendent sur 12 km d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) maximum sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), peuvent atteindre plus de 80 km d'altitude sur Jupiter. L'eau qui remonte dans ces grands nuages via les courants ascendants finit par cristalliser. Quand les cristaux atteignent une altitude où la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) avoisine -80°C, ils rencontrent de la vapeur () d'ammoniac qui liquéfie les cristaux et forme des gouttelettes d'eau-ammoniac. Après avoir atteint le haut du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...), elles redescendent et une croûte de glace se forme autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'elles. En chutant, ces grêlons d'ammoniaque (L'ammoniaque, ou hydroxyde d'ammonium, (NH4OH) est une solution aqueuse formée à partir...)1 grossissent de plus en plus et peuvent peser jusqu'à 1 kg. Leur poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) les fait chuter dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) profonde à des vitesses pouvant atteindre 700 km/h ! Arrivés à une certaine profondeur, ils s'évaporent. Ce sont donc les orages qui entraînent 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...).

Une observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) a permis de confirmer ce mécanisme de formation d'orages. Elle a été réalisée par une petite caméra de la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) Juno, appelée caméra SRU et qui au départ était simplement prévue pour positionner le satellite (Satellite peut faire référence à :). Elle a détecté, un peu par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...), la présence d'éclairs du coté nuit de la planète. Des éclairs avaient déjà été détectés sur Jupiter par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...), mais à des profondeurs où les températures avoisinent 0°C et où l'on peut donc trouver de l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...). En effet, la présence des trois phases de l'eau (solide, liquide et vapeur) est essentielle à la formation d'éclairs. La nouveauté ici est que certains des éclairs détectés par la caméra SRU proviennent de niveaux où la température est inférieure à -70°C. Seule la présence d'ammoniac peut expliquer l'existence d'un liquide à ces températures - le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) eau-ammoniac à la base des grêlons - et donc la formation d'éclairs dans cette zone.

Suite à ces découvertes, des chercheurs ont réalisé un modèle de mélange atmosphérique sur Jupiter. Résultat: la présence d'orages et la formation de grêlons d'ammoniaque permettent d'expliquer l'assèchement de l'atmosphère profonde en ammoniac et rendent compte des variations observées par Junoen fonction de la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre...). Mais des questions cruciales subsistent. En particulier: jusqu'où les courants descendants liés à l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) de la grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement...) d'ammoniaque pénètrent-ils ? Juno devrait poursuivre la mission jusqu'en 2025, et au-delà, la missionJuice de l'ESA pourra permettre de continuer le suivi de ces orages. Mais une autre planète pourrait apporter les clés de la compréhension de ces atmosphères abyssales: il s'agit d'Uranus, qui devrait être l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une mission commune de la NASA et de l'ESA pour une mise en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2045.


Comparaison à l'échelle d'un cumulo-nimbus sur Terre (à gauche) et d'un nuage à la base d'un orage violent sur Jupiter (à droite). Les températures, altitudes et pressions indiquées font référence à l'atmosphère de Jupiter.
© NASA / JPL-Caltech / SwRI / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).

Note:
1 Une fois dissous dans l'eau, l'ammoniac (NH3) donne de l'ammoniaque dont la formule chimique est NH4OH.

Auteur:
Tristan Guillot, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS au laboratoire Lagrange - OCA.
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