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Jupiter, le Maître des dieux

Composition de l'atmosphère (II)

La composition de l'atmosphère jovienne est plus complexe et différente de ce que l'on avait imaginé suite à l'analyse des mesures effectuées par les sondes Pioneer 10 et 11 en 1973. Grâce aux mesures effectuées par la sonde Galileo en 1995 et 2003 puis par Juno en 2017, nous savons aujourd'hui que dans les 150 premiers kilomètres, l'eau est beaucoup moins abondante que prévu de même que l'oxygène (combiné à l'hydrogène) qui n'est plus deux fois plus abondant que celui du Soleil mais plutôt moins concentré que dans le Soleil. La densité et la température de la couche supérieure de nuages est également plus élevée que prévu.

A gauche, structure générale de Jupiter. Les structures nuageuses (ceintures, zones, taches, festons, etc.) composées de matière organique ou azotée se regroupent dans les trois couches supérieures dont l'épaisseur totale ne dépasse pas 100 km. Plus bas l'hydrogène domine mélangé à un peu d'hélium. Au centre, composition chimique de l'atmosphère de Jupiter vers 100 km de profondeur, au niveau ~12 bars, relevé par Galileo à partir des données du spectromètre de masse. A droite, profil vertical de l'atmosphère de Jupiter. Il est probable que ces modèles seront affinés suite aux nouvelles données enregistrées par la sonde spatiale Juno. Documents NASA/JPL, NASA/MSFC et NASA/Prentice Hall adaptés par l'auteur.

Mais même les données de Galileo peuvent être trompeuses car on s'est par exemple rendu compte que la sonde plongea dans l'atmosphère de Jupiter dans une zone relativement peu nuageuse et probablement la plus chaude en cette époque de l'année, faussant quelque peu les mesures physiques et chimiques.

Quoi qu'il en soit, la sonde Galileo confirma que Jupiter se compose de 75 % d'hydrogène moléculaire (H2) et de 24 % d'hélium contre 28 % pour le Soleil (en nombre d'atomes cela représente 90 % d'hydrogène et 10 % d'hélium). Selon Richard Young du Centre Ames de la NASA l’abondance révisée de l’hélium indique que l’attraction de l’hélium vers le centre de Jupiter ne s’est apparemment pas produite aussi rapidement que sur Saturne, où le rapport He/H n’est que de 6 %. Ceci confirme que l’intérieur de Jupiter est beaucoup plus chaud que celui de Saturne.

Elément

Symbole

Jupiter

Soleil

Hydrogène

H

1 1

Hélium

He

0.078 0.097

Carbone, méthane

C

1.0 x 10-3 3.6 x 10-4

Azote, ammoniaque

N

4.0 x 10-4 1.1 x 10-4

Oxygène, eau

O

3.0 x 10-4 8.5 x 10-4

Soufre et sulfure

S

4.0 x 10-4 1.6 x 10-5

Deutérium

D

3.0 x 10-5 3.0 x 10-5

Néon

Ne

1.1 x 10-5 1.1 x 10-4

Argon

Ar

7.5 x 10-6 3.0 x 10-6

Krypton

Kr

2.5 x 10-9 9.2 x 10-10

Xénon

Xe

1.1 x 10-10 4.4 x 10-11

Nombre d'atomes par atome d'hydrogène.

Le sommet de l'atmosphère jovienne contient surtout de l'ammoniac (NH3) et du méthane (CH4). Quelques molécules organiques ont été décelées, telles l'éthane (C2H6) et l'acétylène (C2H2). D'autres molécules existent en petites quantités : la phosphine (PH3), la vapeur d'eau et des traces d'éléments radioactifs (deutérium, carbone-13). Ces éléments organiques et phosphorés contribuent à donner à l'atmosphère une coloration jaune-rougeâtre.

La présence d'éléments lourds - nécessitant une atmosphère froide - et la présente de molécules organiques complexes dans son atmosphère témoignent que Jupiter ne s'est pas formé comme le Soleil ni près du Soleil comme les planètes telluriques. Jupiter se serait formé dans une zone reculée et froide du système solaire et aurait connu une période de collisions intenses avec des astéroïdes et des comètes qui lui auraient apporté toute l'eau et les atomes lourds qu'il contient. En fait c'est toute la théorie de la formation du système solaire qui doit être revue suite aux découvertes faites par les missions Ulysse, Galileo et Juno notamment.

Illustration artistique de l'aspect tumultueux que pourrait avoir l''atmosphère supérieure de Jupiter à hauteur des trois couches (ceintures et zones) visibles depuis la Terre. Cette vue oblique montre l'alternance des couches turbulentes et des zones d'éclaircies plus sèches entre les niveau 0.1 et 12 bars soit entre 0 et 100 km de profondeur. Au sommet de la troposphère (altitude 0 km et pression de 0.1 bar) se trouve une couche de brume photochimique (visible en gris-bleu ciel à travers les échancrures) puis on pénètre dans une zone d'éclaircie. Entre environ 20 et 40 km de profondeur se trouve la première couche de nuages d'ammoniaque (les grandes strates blanches au milieu) suivie par une nouvelle zone claire plus sèche. Ensuite, entre environ 60 et 70 km de profondeur apparaît la deuxième couche constituée de nuages d'hyposulfite d'ammonium (représentée en bleu foncé-mauve) suivie par une nouvelle zone claire. Enfin, entre environ 80 et 100 km de profondeur se trouve la troisième couche constituée de nuages ordinaires de glace d'eau (les longs nuages effilochés et striés gris en haut de l'image). En fonction de l'instabilité, des phénomènes atmosphériques peuvent apparaître comme des formations cumuliformes, des éclairs, des orages, des tornades, y compris des halos, des arcs-en-ciel, etc. A partir de ~80 km de profondeur, la température devient positive et la pression dépasse 5 bars. On trouve un mélange d'hydrogène gazeux et d'hélium mêlé à des nuages et des brumes de méthane, d'ammoniaque et d'eau (en orange au bas de l'image et près de l'horizon). Document T.Lombry.

L'analyse de la trajectoire des sondes spatiales Pioneer 10 et surtout Galileo qui plongea jusqu'à 150 km sous la couche supérieure de nuages confirme qu'il n'existe aucune inhomogénéité dans l'atmosphère jovienne. Celle-ci ne présente donc pas de surface solide mais bien une gradation constante vers un état solide central.

Grâce à Juno qui survola Jupiter à moins de 5000 km de la couche nuageuse supérieure, les planétologues ont identifié des régions climatiques jusqu'au niveau 100 bars dominées par des formations nuageuses riches en ammoniac dont la structure rappelle celle des cellules de Hadley qu'on trouve sur Terre (cf. la météorologie) mais beaucoup plus grandes et s'étendant plus en profondeur.

Concernant la température des différentes formations nuageuses, les photographies prises par le VLT en infrarouge montrent que les ceintures sont plus brillantes et donc plus chaudes que les zone claires et de manière générale, les taches sombres ou claires sont froides à l'exception de certains courants périphériques où la matière plonge dans les profondeurs et se réchauffe. Enfin, le coeur de certains festons est également plus chaud que le coeur des taches sombres.

Les observations ont révélé que la couleur la plus rouge de la Grande Tache Rouge correspond au cœur chaud à l’intérieur du système anticyclonique mais le coeur reste néanmoins plus froid que la périphérie comme on le voit sur les images infrarouge ci-dessous. On reviendra en détail sur la Grande Tache Rouge.

Photographies de Jupiter prises le VLT en infrarouge. On constate que les ceintures sombres situées plus en profondeur sont plus chaudes que les zones claires situées environ 20 km plusn haut et qu'autour des taches sombres certaines parties extérieures plongeant dans les profondeurs sont chaudes tandis que le coeur est froid. Le document en haut à droite pris à 8.6 microns indique en bleu ou sombre les zones plus froides et sans nuages d'altitude, en orange les zones chaudes et nuageuses. A cette longueur d'onde on observe également les variations d'opacité des différentes couches. Documents ESO/VLT (2016), ESO/VLT (2016) et ESO/VLT (2010).

Les images prises par Galileo montrent aussi des bandes sombres en bordure de la Grande Tache Rouge où les nuages et le gaz descendent à l’intérieur des régions plus profondes de la planète. Comparées aux images infrarouge, on constate qu'à ces endroits la température est aussi plus élevée. Ces observations permettent aux scientifiques de mieux comprendre le système de circulation des vents autour de la Grande Tache Rouge

Selon le Dr William B. Hubbard de l'Université d'Arizona qui analysa le profil de la température intérieure de Jupiter, les zones claires qui forment la partie supérieure de la couche nuageuse se situent au niveau 100 mb et présentent une température de -160°C. Les zones claires sont 9° plus froides que les ceintures sombres et se situent à une altitude supérieure d'environ 20 km à celle des bandes colorées, phénomène qui peut s'expliquer par des courants ascendants. Ensuite, quelques kilomètres plus bas, au niveau 1 bar la température est de -108°C et la densité de 0.16 soit 6 fois inférieure à celle de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.

Structure et composition internes de Jupiter comparées à celles de Saturne. Document NASA/U.Edimbourg adapté par l'auteur.

Le sommet de l'atmosphère de Jupiter est constitué de trois couches nuageuses de composition différentes entrecoupées de zones "d'éclaircies". Une première couche de nuages s'étend sur 8 km et se compose de cristaux d'ammoniac, semblables à nos cirrus. Après avoir traversé une zone plus claire, sèche, constituée de gaz diffus, la sonde Galileo découvrit juste sous celle-ci la couche sombre des bandes, composée en surface d'hydrogène moléculaire et d'hélium mêlés à de l'ammoniac. Cette couche s'étend sur 40 kilomètres et se compose en profondeur de cristaux d'hyposulfite d'ammonium (NH4SH). Elle laisse entrevoir de temps en temps une couche inférieure claire qui se compose d'une quantité plus importante de cristaux de glaces et d'eau.

Plus bas, vers 80 km de profondeur, où la température est celle d'une agréable pièce de séjour, des gouttelettes d'eau se trouvent en suspension. A 150 km de profondeur la NASA perdit le signal de la sonde Galileo qui brûla dans l'atmosphère jovienne.

A un niveau plus profond, vers 1000 km, la situation devient infernale avec une température de 2000°C et une pression de 5000 bars. Dans ces conditions, on suppose que les échanges thermiques doivent engendrer des vents violents, y compris des courants convectifs et des ascendances, et former d'immenses vortex dont la vorticité est alimentée par la force de Coriolis. Il est possible que certains vortex qu'on aperçoit en surface proviennent de ces profondeurs. On y reviendra à propos de l'origine de la Grande Tache Rouge.

Vers 3000 km, la température est de 5500°C, plus élevée que sur la surface du Soleil et la pression atteint 100000 bars ! A présent l'hydrogène et l'hélium sont tellement denses qu'ils se liquéfient. Selon le modèle calculé par le Dr Hubbard, vers 25000 km de profondeur, on peut à proprement parler de planète "liquide". Sous une pression qui atteint 4 millions d'atmosphères et une température de 11000°C, l'hydrogène change d'identité et passe à un état métallique que nous ne connaissons pas sur Terre (les rares expériences faites à ce sujet depuis 1996 et notamment en 2017 n'ont pas convaincu tous les scientifiques). Ce manteau d'hydrogène métallique libère également de la chaleur. A cette profondeur se trouve encore un peu d'hélium et des traces de glaces (eau, méthane, etc).

Plus bas enfin on suppose que son noyau est rocheux, légèrement plus volumineux que la Terre mais 10 à 15 fois plus massif. Il contient probablement du fer et des éléments lourds. Sa température est d'environ 20000°C mais elle est nettement insuffisante pour amorcer les réactions nucléaires de fusion à l'image de celles qui illuminent le Soleil.

A gauche, l'altitude des couches nuageuses supérieures est corrélée avec la couleur des nuages : les nuages rouges sont les plus élevés suivis par les nuages bruns et blancs tandis que les nuages bleus sont les plus profonds. Au centre, une photographiée dans le proche infrarouge prise par la sonde spatiale Galileo, nous permet d'évaluer la hauteur des formations dans la région de la Grande Tache Rouge. En fonction de l'absorption sélective de la lumière, les couleurs ont été arbitrairement attribuées et accentuées. Les nuages de méthane de haute altitude sont représentés en rouge (886 nm), les nuages moyens en vert (732 nm) et les nuages bas en bleu (757 nm). Leur couleur détermine leur altitude : les régions roses sont des brumes de haute altitude, les zones blanches des nuages épais élevés tandis que les zones bleues ou noires sont les plus profondes. La Grande Tache Rouge apparaît ainsi surélevée par rapport au milieu ambiant de même que certains petits nuages situés au nord-est et au nord-ouest à l'instar des nuages d'orage que l'on connaît sur Terre. Des mesures préliminaires indiquent que ces nuages isolés culminent à plus de 30 km au-dessus de la couche nuageuse. Photographies réalisées par Galileo respectivement le 10 février 1997 et le 26 juin 1996. A droite, une image en fausses couleurs d'une région de festons proche d'une petite tache blanche (WOS) photographié en UV et proche IR le 26 juin 1997 par Galileo à 1.2 million de kilomètres de distance. Documents Galileo et NASA/JPL.

La chaleur de Jupiter

Les nuages d'altitude ont une température 20° plus élevée que celle de l'atmosphère en équilibre du modèle théorique, -148°C au lieu de -168°C et augmente avec l'altitude. Sur Terre la température diminue à mesure que l'on monte dans l'atmosphère.

Cette variation adiabatique inversée de la température s'explique par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz déjà évoqué à propos des étoiles T Tauri et est lié à la libération d'énergie du noyau. En effet, à l'inverse de la Terre dont la chaleur et les vents sont induits par les effets du Soleil, c'est la chaleur interne dégagée par Jupiter qui est à l'origine des courants atmosphériques. Jupiter se refroidissant, sa pression interne diminue mais étant donné sa masse élevée, il la compense en contractant son noyau à raison de quelques millimètres par an, l'excès d'énergie gravitationnelle étant converti sous forme de chaleur. C’est ainsi que Jupiter libère 2.5 fois plus d'énergie qu'il n'en reçoit du Soleil. Ceci explique aussi les courants ascendants chauds qui existent en permanence dans sa troposphère. Saturne présente le même phénomène.

La circulation générale de Jupiter centrée sur la Grande Tache Rouge. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 429 KB). Document Cassini/ Ciclops/ NASA-JPL/ U.Az.

L'hydrogène métallique liquide

En traversant les couches denses de l'atmosphère en direction du noyau, l’hydrogène passe graduellement de la phase gazeuse à celle liquide et sous la pression change progressivement d'état pour devenir métallique. Un processus similaire se produit dans le noyau de Saturne.

L'hydrogène métallique liquide est constitué de protons (hydrogène ionisé) et d'électrons (à l'image de l'intérieur du Soleil, mais à un niveau de température bien moins élevé). Cette matière fluide est conductrice d'électricité et est à la source du champ magnétique de Jupiter.

Jupiter présente un albédo de 0.52 (il réfléchit 52 % de la lumière solaire) et il reçoit moins de 4 % de l'énergie solaire qui tombe sur Terre. La nucléosynthèse stipule que si sa masse avait été au moins 60 fois supérieure, il aurait brillé comme une étoile. Mais son noyau n'est porté qu'à 30000°C, loin des millions de degrés indispensables aux réactions thermonucléaires et supporte une pression d'environ 100 millions d'atmosphères. Il est en fait une pseudo-étoile, une étoile "ratée" qui n'a pas trouvé la matière nécessaire pour amorcer les réactions thermonucléaires de fusion.

Des vents très turbulents

Contrairement à ce qui se produit sur Terre, la face obscure de Jupiter présente la même température que sa face ensoleillée. Ce phénomène s'explique par la rotation élevée de Jupiter qui entraîne les courants chauds d'une hémisphère à l'autre, plus rapidement que le temps nécessaire à la dissipation de la chaleur dans l'espace.

Observées depuis la Terre, les zones et les ceintures de Jupiter semblent glisser les unes contre les autres sans vraiment créer de turbulence dans un mouvement relativement fluide. Mais les sondes Voyager, Galileo et surtout Juno ont révélé l'existence de vortex complexes dans les zones de transition à la limite entre les bandes et près des pôles.

La région du pôle Sud de Jupiter en couleurs accentuées photographiée par Juno le 11 décembre 2016 à 52200 km de distance. Document NASA/JPL.

Près de l'équateur (<30° de latitude) les vents ainsi que le courant jet peuvent atteindre 150 m/s soit 540 km/h. A plus de 30° de latitude, un autre courant jet peut traverser l'atmosphère dans la direction opposée jusqu'à 50 m/s soit 180 km/h, créant de spectaculaires enchevêtrements nuageux. Cela provoque des transferts de matière entre les différentes latitudes, engendrant des tourbillons, des jets de gaz, des vortex géants, des courants ascendants et descendants persistants qui plongent à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur. Ces propriétés sont communes à toutes les planètes géantes, avec une intensité qui régresse toutefois à mesure qu'on s'éloigne du Soleil.

Plus près des pôles, à partir de 50° de latitude, la force de Coriolis agit sur les courants verticaux en déformant la structure horizontale des bandes. Les gaz ascensionnels, lorsqu'ils retombent dans les bandes sombres sont déviés vers l'ouest (dans l'hémisphère Nord), en créant d'immenses tourbillons. Dans une telle zone, les courants jets peuvent atteindre 600 km/h !

Nous connaissons sur Terre un phénomène semblable dans les zones de cisaillement (shearing), où des courants turbulents de différentes directions créent localement, y compris en atmosphère claire, une sévère turbulence. Dans le Pacifique par exemple, on a déjà relevé des courants jets d'altitude atteignant 800 km/h et de temps à autre les cyclones les plus meurtriers, de catégorie F5, peuvent tournoyer à une vitesse comprise entre 450 et 510 km/h, avec des rafales jusqu'à 344 km/h capables de transporter des masses de 20 tonnes à plus d'un kilomètre de distance... par les airs !

Si ces évènements bien de chez nous ont une puissance de loin supérieure à celle de n'importe quelle bombe atomique, imaginez l'effet que de telles forces peuvent avoir sur Jupiter ou Saturne, où de tels vents sont ordinaires !

Enfin, des éclairs ont également été observés dans l’atmosphère de Jupiter dont l’intensité individuelle est 1000 fois supérieure à leurs équivalents terrestres. Néanmoins Galileo ne releva que 100000 éclairs au cours de sa mission soit une activité globalement dix fois plus faible que celle que l’on trouve dans des zones de dimensions comparables sur Terre. Ces éclairs se manifestent uniquement dans les petits vortex blancs, les WOS (White Oval Zone).

Notons que malgré l'hostilité de ce milieu, Jupiter abrite les conditions d'une chimique prébiotique. Bien qu'il y ait encore un long chemin entre une molécule oranique et une cellule vivante, en théorie une forme élémentaire de vie pourrait évoluer sur Jupiter ainsi que nous le verrons en bioastronomie.

Prochain chapitre

La Grande Tache Rouge

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