La formation des dunes de Titan contrôlée par des tempêtes tropicales

Publié par Adrien le 14/04/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSU
Les régions équatoriales de Titan, la plus grosse lune de Saturne, sont recouvertes par un vaste champ de dunes linéaires se propageant vers l'est. Cette direction est opposée à celles des vents prédits par les modèles climatiques et constitue l'un des grands mystères de Titan (Cliquez sur l'image pour une description).

En combinant les résultats d'un modèle régional de nuages de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à...) avec ceux d'un modèle climatique global de Titan, une équipe franco-américaine a montré que la formation des dunes devait être contrôlée par de rares tempêtes tropicales de méthane produisant de forts vents soufflant vers l'est et dominant le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) sédimentaire. Ces résultats permettent alors d'expliquer la forme, la direction et 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...) de propagation des dunes de Titan et donnent des renseignements sur l'origine du sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre...) les constituant.

Cette étude impliquant des chercheurs du Laboratoire de 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...) Dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) (CNRS/IPSL/UPMC/ENS/Ecole Polytechnique), du Southwest Research Institute à Boulder et d'autres laboratoires (IPGP, AIM, MSC) rattachés au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), au CEA et à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la...) Diderot, est publiée dans Nature Geoscience le 13 avril 2015.

Titan est la plus grande lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne...) de Saturne. Elle est entourée d'une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) épaisse composée principalement de diazote (Le diazote, couramment nommé « azote » de manière incorrecte, est le nom de la molécule diatomique composée de deux atomes d'azote. Elle est notée N2.) (à environ 98%) et riche en méthane, pouvant condenser sous la forme de nuages. L'une des grandes surprises de la mission Cassini-Huygens (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...) fut la découverte d'un vaste champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de dunes, le plus grand du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets...), dans la bande équatoriale de Titan. Il s'agit de dunes linéaires, de plusieurs dizaines 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 vide en...) de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) pour une centaine de mètres de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), parallèles à l'équateur. La nature du sable les constituant est encore mystérieuse mais les planétologues suspectent qu'il s'agit d'un sable constitué de polymères d'hydrocarbures, sorte de suies, provenant de la photodissociation du méthane dans l'atmosphère.

En analysant la morphologie des dunes autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent...) d'obstacles topographiques ainsi que leur terminaison, il a été possible de déterminer le sens de propagation des dunes. Les images radars indiquent alors que toutes les dunes se propagent vers l'est dans la bande équatoriale. Cependant les modèles climatiques appliqués à Titan prédisent que les vents soufflent en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) vers l'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).) à ces latitudes et près de la 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 confondu avec...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme les alizés 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...). Les dunes se propagent donc dans la direction contraire aux vents prédits, constituant une grande énigme.


Illustration avec Saturne et une image radar des dunes de Titan. © Antoine Lucas


Image des nuages tropicaux de méthane au moment de l'équinoxe. © NASA/JPL

Malgré ces prédictions pour les vents de surface équatoriaux, les vents soufflent partout vers l'est à plus haute 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...). Ce phénomène s'appelle la superrotation. Un couplage entre cette superrotation et la formation des dunes de Titan permettrait de résoudre le mystère de leur propagation vers l'est. Les chercheurs ont alors imaginé un possible couplage par l'intermédiaire des tempêtes de méthane se produisant au moment de l'équinoxe dans la bande équatoriale. Ces tempêtes sont rares mais particulièrement violentes. Il s'agit de gros systèmes convectifs se développant jusqu'à de hautes altitudes.

Les chercheurs ont montré à l'aide d'un modèle météorologique régional appliqué à Titan que les tempêtes de méthane devaient être associées à de forts courants descendants qui s'écoulent naturellement vers l'est en atteignant la surface. Ces fortes rafales de vents dominent le transport sédimentaire et propagent les dunes vers l'est.

En combinant ces résultats avec les régimes de vents prédits par un modèle climatique global de Titan et en utilisant des analogies avec la formation de dunes linéaires sur Terre, les chercheurs ont pu proposer un scénario général pour la formation des dunes de Titan.

Ce scénario explique la plupart des caractéristiques majeures des dunes de Titan: leur forme, orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;), sens de propagation, taille et espacement. Il dévoile aussi que le sable de Titan s'est nécessairement formé dans les régions équatoriales, alors qu'il avait été proposé qu'il se soit formé dans les régions polaires où se trouvent des mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) de méthane liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Finalement, les fortes rafales de vents à la surface de Titan lors des tempêtes tropicales impliquent la probable apparition de tempêtes de sable ou de poussières, très communes durant les épisodes orageux au dessus des déserts terrestres.

Cette étude révèle donc que les processus éoliens sur Titan sont contrôlés par de rares évènements violents et fait de Titan un monde (Le mot monde peut désigner :) bien plus dynamique que prévu.
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