Peut-on deviner les montagnes à travers les nuages de Vénus ?

Publié par Adrien le 27/06/2016 à 00:00
Source: CNRS-INSU
L'atmosphère de Vénus est si épaisse qu'il a toujours été totalement impossible de voir au travers, même avec les télescopes les plus puissants: le relief de notre planète jumelle n'a été révélé qu'avec l'usage de radars et les premières sondes spatiales se posant à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...). Mais pour la première fois, une équipe internationale, dont plusieurs chercheurs du LATMOS (CNRS/UVSQ), a réussi à "deviner" les montagnes de Vénus à travers son atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Grâce à la camera VMC de la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) Venus Express (Venus Express est une sonde spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA) ayant pour objectif...) de l'ESA, les chercheurs ont constaté que les nuages, lorsqu'ils étaient observé en ultra-violet, apparaissaient plus brillants au-dessus du grand massif (Le mot massif peut être employé comme :) montagneux d'Aphrodite Terra (Terra (pluriel terrae) est un mot d'origine latine qui désigne la Terre, le sol. Il est employé...). Ils ont constaté que la vitesse (On distingue :) du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) y chutait d'environ 18%, et démontré comment cette diminution entrainait une plus grande brillance des nuages.


Figure 1. Un exemple d'une image de Vénus prise par la caméra VMC (Venus Monitor (Le cuirassé Monitor de 1862 est un bateau de l'US Navy qui doit sa célébrité au fait qu'il est...) Camera) avec un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) UV à 365 nm, depuis une distance d'environ 33.000 km. Les détails UV se déplacent entre deux images successives, ce qui permet de mesurer la vitesse du vent, principalement orientée d'est (à droite sur l'image) en ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se...). Une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...) longitude-latitude est indiquée sur l'image.

La planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) Vénus est souvent qualifiée de soeur jumelle de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) qui a mal tourné. En effet, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) au sol y est de 450° C, à cause de l'effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie...) dû à l'épaisse atmosphère de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) (CO2). Elle est aussi entièrement voilée d'une épaisse couche nuageuse qui s'étend jusqu'à 70 km au-dessus de la surface. De l'extérieur, le sommet des nuages apparaît très homogène, sauf quand on scrute la planète en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) ultra-violette. Des détails apparaissent alors, plus ou moins sombres, dont les déplacements ont permis de découvrir en 1961 que les nuages se déplaçaient à grande vitesse d'est en ouest (de l'ordre de 100 m/s ou 360 km/h). On a d'abord cru que Vénus tournait sur elle-même à cette vitesse, un tour complet en 4 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...). Il n'en est rien: elle tourne beaucoup plus lentement, en 243 jours, mais dans le même sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) que les nuages. On a donc qualifié de "super-rotation" ce régime des vents à haute altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...).

D'autre part, les observations au radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...) qui permettent de percer les nuages (notamment la mission américaine Magellan) ont établi des cartes détaillées de la surface de Vénus, où on trouve des montagnes, sans doute d'origine volcanique.

C'est dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) qu'une équipe européenne (France-Allemagne-Russie), en analysant des années de mesures recueillies par la caméra VMC de la mission Venus Express (Express est un langage informatique servant à spécificier formellement des données....) de l'ESA (entre 2006 et 2014), vient de publier une surprenante découverte, liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....) ce qui se passe au sommet des nuages au relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...) montagneux sous-jacent, qui se trouve pourtant bien au-dessous. Ils ont en effet constaté que les nuages étaient moins sombres en UV au dessus du grand massif montagneux d'Aphrodite Terra, et que le vent y était fortement ralenti, passant à 82 m/s au lieu de 100 m/s en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...).

C'est un peu comme si les nuages au-dessus de l'Himalaya étaient plus brillants qu'ailleurs, et qu'ils se déplaçaient moins vite. Mais alors que sur terre, même les nuages les plus hauts sont proches des sommets, sur Vénus il s'agit de 65 km de différence d'altitude. C'est cependant par analogie avec un cas terrestre similaire que les chercheurs ont pu proposer un mécanisme explicatif pour Vénus.

Au niveau du sol de Vénus, le vent est très faible, mais la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) est très grande: 90 fois la densité atmosphérique terrestre. Le passage de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) sur la montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...) peut donc provoquer la génération d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) orographiques (ou de relief): ondes de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), sorte de vagues d'air, qui dans certaines conditions réunies sur Vénus, peuvent se propager vers le haut en s'amplifiant. Arrivées un peu en-dessous du sommet des nuages, leur propagation verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) s'arrête et elles déferlent brutalement, comme les vagues de la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) au bord du rivage. Ces ondes sont fixes géographiquement par rapport aux montagnes de Vénus, tandis que le vent normal vers 65-70 km atteint une vitesse de 100 m/s par rapport au sol: en conséquence leur déferlement constitue un obstacle à l'écoulement, un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement...) qui explique le vent plus faible observé un peu en aval des reliefs.

Mais l'écoulement horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...) continue, la vitesse du vent augmente alors pour retrouver sa vitesse moyenne de 100 m/s. Cette ré-accélération provoque au sommet des nuages un étirement de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'air horizontale, une sorte de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) se forme qui provoque une aspiration de l'air qui se trouve en-dessous. Or, comme on constate avec Venus Express que les nuages sont alors plus sombres en UV, cela démontre que cet air qui vient du bas est chargé d'un composé (encore non-identifié) qui absorbe le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) UV solaire. On soupçonnait déjà que la source de l'absorbant UV de Vénus venait d'en-dessous: en voilà une nouvelle preuve éclatante, si l'on peut dire quand il s'agit de nuages sombres!

Mais une autre observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de Venus Express vient conforter ce schéma de façon complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) indépendante. Le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité...) infra-rouge SPICAV IR peut détecter la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) au sommet des nuages, et a aussi relevé une zone géographique où il y en a plus qu'ailleurs: la même zone que les nuages sombres en UV. Et ceci s'explique très bien, car on sait que, plus on s'enfonce dans l'atmosphère au-dessous du sommet des nuages, plus l'air est riche en vapeur d'eau. Donc, quand le vent re-accélère, cela aspire l'air qui est en-dessous, chargé en absorbant UV et en vapeur d'eau.

Les modèles de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) générale de l'atmosphère de Vénus (L'atmosphère de Vénus a été découverte en 1761 par le polymathe russe...) sont construits comme ceux qu'on utilise pour la prévision de la météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques...) terrestre. L'un des plus sophistiqués est le modèle français du Laboratoire de Météorologie Dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...). Bien qu'il soit capable de reproduire la super rotation observée sur Vénus, et qu'il prenne en compte le relief exact de la planète, il n'a pu reproduire les présentes observations de Venus Express. Cela demeure donc un objectif théorique stimulant (Un stimulant est une substance qui augmente l'activité du système nerveux sympathique...) de trouver l'ingrédient qui manque au modèle pour reproduire les observations. Ce nouveau phénomène d'origine orographique impacte le régime des vents, et il s'oppose à la super-rotation. Il faudra donc en tenir compte pour une description précise de la façon dont est générée et entretenue la super-rotation de Vénus.

Cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) d'ondes de gravité stationnaires avec le vent horizontal a été pour la première fois proposée pour la Terre en 1981 par le dynamicien américain Lindzen, pour expliquer le comportement saisonnier du vent dans la mésosphère (La mésosphère est la couche de l'atmosphère terrestre comprise entre 50 km d'altitude, au-dessus...) terrestre, vers 50-70 km d'altitude.

On peut aussi noter que les deux petits ballons injectés en 1985 dans l'atmosphère de Vénus au cours des missions soviétiques Vega-1 et Vega-2, à l'instigation de Jacques Blamont, ne s'étaient pas comportés de façon identique pendant leur dérive de deux jours à 53 km d'altitude: le ballon de Vega-2, passant au-dessus du massif d'Aphrodite Terra, avait eu une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) plus perturbée, et une dérive plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.), que celle du ballon de Vega-1 passant plus au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de la montagne sur une région de plaine (Une plaine est une forme particulière de relief, c'est un espace géographique...). La génération d'ondes de gravité par le vent au sol soufflant sur Aphrodite Terra avait alors déjà été évoquée pour expliquer le comportement différent des deux ballons.


Figure 2a (en haut). Carte géographique longitude-latitude du relief de Vénus a été obtenue par le radar de la mission NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) Magellan. L'altitude du relief est codée en couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...). Dans la zone observée, il y a, au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de l'équateur, un massif montagneux important, Aphrodite Terra, et un autre moins haut, Alta Regio. Les latitudes sont négatives en-dessous de l'équateur. La flèche rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) indique la direction moyenne du vent, d'est en ouest, vers les longitudes décroissantes.Figure 2b (en bas). Carte géographique de l'intensité du vent dressée par la caméra VMC (en m/s codée en couleur, le rouge correspondant à une vitesse plus faible, donc un vent ralenti). Il y a une région de vent minimum (en valeur absolue) centrée à environ 30° de longitude (La longitude est une valeur angulaire, expression du positionnement est-ouest d'un point sur Terre...) en aval de Aphrodite Terra, et qui s'étend vers le sud. Cette carte du vent a été établie à partir de 31.604 mesures individuelles obtenues en comparant à l'oeil deux images successives de VMC/Venus Express.


Figure 3. Schéma des ondes de gravité stationnaires générées au niveau du sol par le vent soufflant sur les flancs des montagnes. La courbe bleue représente l'altitude moyenne du relief dans la région comprise entre -5 et -15° de latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre...) (exagérée d'un facteur 7 sur ce schéma). Les ondes de gravité se propagent verticalement vers le haut, jusqu'à leur déferlement en peu en-dessous du sommet des nuages. Elles freinent alors le vent moyen, représenté par les flèches noires.

Texte écrit par le premier signataire de la publication, Jean-Loup Bertaux.
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