Des "mers d'huile" sur Titan
Publié par Redbran le 27/04/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSU
Titan, la grande lune de Saturne, est après la Terre le haut lieu de la chimie organique du système solaire. Cette chimie produit de nombreuses espèces, dont la plupart finissent par sédimenter au sol. Une autre caractéristique majeure de Titan (Cliquez sur l'image pour une description) est la présence, dans ses régions polaires, de mers contenant un 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...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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...) et d'éthane. Le radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie....) 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, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs...) 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 spatiale italienne (ASI). Son objectif est...) a montré que 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 sa mesure,...) de ces mers est généralement extrêmement lisse. Cette propriété étonnante s'explique très bien par l'existence d'une fine nappe organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) à la surface des mers, formée par les précipitations atmosphériques. L'effet d'amortissement des vagues par un tel dépôt est beaucoup plus fort sur Titan que 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...).


La région polaire nord de Titan, les mers d'hydrocarbures apparaissent sombres. Pour les plus grandes, ces étendues liquides ont une taille comparable à celles des Grands Lacs de l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan Atlantique....) du Nord. Cette vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) a été construite à partir d'images prises par l'instrument VIMS de la sonde Cassini dans des domaines de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) infrarouges pour lesquels la brume de Titan est transparente. ©NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona/LPG-Nantes/B. Seignovert

Parmi tous les objets du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...), Titan, le plus grand satellite (Satellite peut faire référence à :) de Saturne, occupe une place bien particulière. Cette 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 séparant la Terre de la Lune est de...) a de nombreuses caractéristiques qui la rendent unique. Son atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), aussi dense que celle de la Terre, abrite une chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) complexe qui provoque une brume épaisse et omniprésente. Celle-ci est composée de particules d'aérosols organiques de taille micrométrique, analogues à ceux produits sur Terre par la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].). La chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) titanienne, initiée par la photolyse des molécules de diazote et de méthane, principaux composants atmosphériques, produit non seulement ces aérosols mais également de nombreuses autres molécules de toutes tailles.

Dès le début des années 80, après son survol par Voyager 1 (Voyager 1 est la première des deux sondes du programme Voyager lancées en 1977. Sa mission principale était d'étudier les planètes géantes Jupiter et Saturne. C'est la première sonde spatiale qui a...), la détermination des conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et 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 reliée aux sensations de froid...) à la surface de Titan a conduit les chercheurs à imaginer l'existence de mers d'hydrocarbures liquides. Ces dernières, composées principalement de méthane et d'éthane ont été finalement découvertes en 2007. Localisées dans les régions polaires, leur présence a été détectée, à travers l'atmosphère, par le radar de la sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour étudier à plus ou moins grande distance les corps célestes se trouvant dans le système solaire...) Cassini. Ces mers d'hydrocarbures ont des propriétés surprenantes. L'une d'elles est l'aspect particulièrement lisse de leur surface, comme l'ont montré de nombreuses 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 plaisir procuré...) radar de Cassini. La plupart des mesures révèlent des "aspérités", qui pourraient être des vaguelettes, avec une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) inférieure à quelques millimètres.

Face à cette curiosité, Daniel Cordier et Nathalie Carrasco, chercheurs respectivement aux Groupe de spectrométrie moléculaire et atmosphérique (GSMA, CNRS/Université de Reims) et au Laboratoire "atmosphères, milieux, observations spatiales" (LATMOS, CNRS/Université de Versailles St Quentin/Sorbonne Université), se sont interrogés sur l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) des produits de l'atmosphère, notamment les aérosols organiques, et des phases liquides présentes au sol. Dans leur étude, ils identifient trois catégories de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) qui peuvent atteindre la surface des mers de Titan: des molécules, des "cryo-neiges" (pouvant être formées de cristaux de cyanure (Les cyanures sont les composés de l'anion CN-, formé d'un atome de carbone lié par une liaison triple à un atome d'azote. L'ion CN- est la base conjuguée de l'acide cyanhydrique.) d'hydrogène) et les aérosols.

Certaines expériences en laboratoire ont montré que certains aérosols (ceux plus légers que le méthane) peuvent flotter grâce à la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) d'Archimède. Ce phénomène n'est pas le seul qui conduit à une flottaison. Les effets de capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre...), exploités par exemple par les "araignées d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.)" (insectes de la famille des gerridae) pour vivre à la surface des étangs, peuvent faire flotter des petits objets plus denses que le liquide porteur. Les deux chercheurs ont montré qu'il y a de bonnes raisons de penser que certains des solides atmosphériques pourraient avoir des propriétés "méthanophobes", et contribuer ainsi à l'établissement d'un dépôt organique à la surface des mers.

On sait depuis l'Antiquité que la mise en place d'une nappe d'hydrocarbures à la surface de l'eau crée un fort amortissement des vagues ; ce phénomène est à l'origine de l'expression populaire "une mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas...)". Sur Terre, en raison des matières flottantes produites par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) bactériologique et planctonique, un amortissement similaire est à l'oeuvre et doit être pris en compte lors des observations radar réalisées par les satellites de télédétections. L'apparition des vagues est un problème de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) en soi et a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) de nombreuses études, dont certaines prennent en compte l'existence d'une nappe de surface, éventuellement monomoléculaire.

Daniel Cordier et Nathalie Carrasco ont donc appliqué les modèles, développés dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent....) terrestre, au cas des mers de Titan. Ils ont alors pu montrer que l'effet d'amortissement est bien plus intense sur Titan que sur Terre, toutes choses égales par ailleurs. Les précipitations de matériaux et d'espèces organiques, dérivées de la chimie organique atmosphérique, peuvent donc inhiber, au moins partiellement, la formation des vagues et expliquer la surface étonnamment lisse des mers de Titan.

Ce travail, publié dans Nature Geoscience, est largement transdisciplinaire et s'appuie sur des études publiées dans des domaines aussi divers que la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une...) marine, la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement...), la télédétection (La télédétection désigne, dans son acception la plus large, la mesure ou l'acquisition d'informations sur un objet ou un phénomène, par l'intermédiaire d'un instrument de mesure n'ayant pas de contact avec...), la chimie, la microphysique, l'océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des mers de la Terre. Les océanographes...) et l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles,...). Si elle est sélectionnée par la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence...), la mission Dragonfly pourra apporter plus d'informations sur les matériaux disponibles à la surface de Titan. Plus généralement, ce type de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) constitue les prémices d'une "exo-océanographie" dont Titan offre les premiers sujets d'étude, mais qui pourrait être enrichie par la découverte d'exo-planètes océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en...).

Pour en savoir plus:
- Sur la mission CASSINI/Huygens sur le site de la NASA et de l'ESA
- Sur le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) de mission Dragonfly

Référence publication:
Daniel Cordier & Nathalie Carrasco, The floatability of aerosols and wave damping on Titan's seas Nature Geoscience (2019) doi:10.1038/s41561-019-0344-4

La publication fait également l'objet d'une rubrique "News (NeWS est un système de fenêtrage conçu par James Gosling (qui a contribué à Java) et introduit par Sun Microsystems à la fin des années 1980 n'a pas connu de...) & Views" dans la même revue.

Contacts chercheurs:
- Daniel CORDIER, GSMA
- Nathalie Carrasco, LATMOS
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