Comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, l'atmosphèreatmosphère de JupiterJupiter fascine les planétologues qui sur Terre seraient des géophysiciens et des géochimistes externes cherchant à comprendre les mystères des phénomènes météorologiques. Cette fascination a été renouvelée par la découverte des exoplanètes et en particulier des fameuses Jupiter chaudesJupiter chaudes. L'étude de Jupiter n'a donc pas un simple intérêt intrinsèque, déjà considérable, car la géante gazeuse peut aussi servir de laboratoire pour comprendre les exo-atmosphères et tester la pertinence des modèles développés en transposant ceux de l'atmosphère terrestre. L'une des retombées de telles entreprises est d'aider à déterminer ce que pourrait être une biosignature vraiment fiable que les prochaines générations de télescopes pourraient détecter dans les atmosphères d'exoplanètes comme celles autour de Trappist-1.

Nous n'en sommes pas encore là mais l'étude de Jupiter se poursuit néanmoins et pas seulement à l'aide des instruments de la mission JunoJuno de la Nasa. Elle peut se conduire à partir de la Terre et notamment en utilisant des radiotélescopes. Celui de Nançay, en France, étudie les émissionsémissions radio décamétriques produites par des électronsélectrons énergétiques dans la magnétosphèremagnétosphère de Jupiter depuis des décennies.

Une collision cométaire mythique avec Jupiter

Bien plus moderne et performant, le célèbre Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) de l'ESOESO au Chili vient d'être utilisé par une équipe internationale d'astronomesastronomes, dirigée par Thibault Cavalié du Laboratoire d'astrophysiqueastrophysique de Bordeaux, pour faire des découvertes concernant les ventsvents dans la stratosphèrestratosphère de Jupiter, comme les chercheurs l'expliquent dans un article publié dans Astronomy & Astrophysics.

Pour cela, les planétologues ont mis à profit une opportunité résultant d'un événement mythique survenu il y a presque 30 ans, l'impact de la comètecomète Shoemaker-Levy 9Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter. Officiellement désignée par D/1993 F2 et parfois abrégée en SL9, cette comète avait été repérée dans la nuit du 24 mars 1993 sur une photographiephotographie prise avec le télescope de Schmidt de l'Observatoire du Mont PalomarObservatoire du Mont Palomar (Californie) par les astronomes américains Carolyn et Eugene Shoemaker, le Québécois David Levy et l'astronome français Philippe Bendjoya alors jeune étudiant (il est aujourd'hui professeur au Laboratoire J.-L. Lagrange à l'université Nice Sophia-Antipolis).

Les calculs issus de la mécanique céleste, que l'on doit à des grands noms des mathématiques tels Lagrange et Laplace, avaient montré que la comète venait tout juste de se fragmenter lors d'un passage en juillet 1992 sous la limite de Roche de la géante gazeuse. Les forces de maréeforces de marée de Jupiter avaient alors produit 21 débris dont certains avaient jusqu'à deux kilomètres de diamètre. Or, tout indiquait qu'ils allaient très bientôt entrer en collision frontale avec la géante gazeuse, ce qu'ils allaient effectivement faire du 16 au 22 juillet 1994 à une vitessevitesse d'environ 60 kilomètres par seconde.

Des molécules de cyanure comme traceurs des vents jupitériens

L'énergieénergie libérée par l'impact des fragments de Shoemaker-Levy 9, en chauffant et comprimant l'atmosphère aux lieux d'arrivée de ces fragments, a engendré des réactions chimiquesréactions chimiques faisant naître des moléculesmolécules. Ce fut le cas déjà dans la stratosphère de Jupiter où s'est alors formé du cyanure d'hydrogènecyanure d'hydrogène entraîné par les « courants-jetscourants-jets » stratosphériques de la géante gazeuse. Rappelons, comme l'explique un communiqué de l'ESO accompagnant la publication de l'article des chercheurs, que ces courants sont des bandes étroites de vent dans l'atmosphère, comme les courants-jets (ou jet stream) sur Terre. Rappelons aussi comme l'expliquent Lev Landau et Evgeny Lifshitz dans la version abrégée pour débutant de leur célèbre cours de mécanique quantique que les molécules possèdent des signatures spectrales dans le domaine des micro-ondes que des radiotélescopes peuvent identifier. Via des mesures de l'effet Dopplereffet Doppler Fizeau avec des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, qui décale les valeurs des raies spectralesraies spectrales de ces molécules, on peut alors déterminer les vitesses des mouvementsmouvements des gazgaz contenant et entrainant ces molécules.

C'était la clé qui manquait aux planétologues pour mesurer les vitesses des vents dans la stratosphère de Jupiter. En effet, cette couche de l'atmosphère de Jupiter ne contient pas de nuagesnuages et, pour cette raison, on ne pouvait pas en déduire des vitesses des vents en suivant les déplacements des nuages.

Toujours comme l'explique le communiqué de l'ESO, Alma a permis de mesurer les vitesses des vents stratosphériques aux pôles et à l'équateuréquateur de Jupiter à partir de mesures qui n'ont nécessité que moins de 30 minutes de temps de télescope. Les nombres obtenus laissent songeur : 1.450 kilomètres par heure, soit plus de deux fois les vitesses maximales atteintes dans la Grande Tache rougeGrande Tache rouge de Jupiter et plus de trois fois celles des vents des plus fortes tornadestornades de la Terre.

Thibault Cavalié précise que : « le résultat le plus spectaculaire est la présence de puissants jets, dont la vitesse peut atteindre 400 mètres par seconde, qui sont situés sous les aurores près des pôles » et son collègue et coauteur Bilal Benmahi, également du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux, ajoute que :  « notre découverte indique que ces jets pourraient se comporter comme un vortexvortex géant d'un diamètre pouvant atteindre quatre fois celui de la Terre, et d'une hauteur de quelque 900 kilomètres ». « Un vortex de cette taille serait un monstre météorologique unique dans notre Système solaireSystème solaire », renchérit Thibault Cavalié.

Comme d'habitude, l'UniversUnivers a déjoué certaines des prédictions des théoriciens qui connaissaient l'existence de vents forts près des pôles de Jupiter mais qui s'attendaient à ce que les vitesses de ces vents deviennent nulles dans la partie de la stratosphère étudiée.

Jupiter : ses vents dévastateurs recréés en laboratoire

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 25/01/2017

Pour expliquer la stabilité séculaire des courants-jets violents de Jupiter et sonder la structure de la géante, un groupe de physiciensphysiciens a réalisé en laboratoire une expérience avec un réservoir d'eau en rotation. Pour la première fois, elle a permis de reproduire les analogues de ces jets.

La dynamique des fluides planétaires dans un référentielréférentiel en rotation est fascinante mais elle pose de redoutables problèmes aux chercheurs qui veulent la comprendre uniquement avec des outils analytiques, c'est-à-dire le calcul infinitésimal. De la turbulence, des courants de convectionsconvections et des ondes dans l'atmosphère terrestre à celles qui règnent dans la partie liquideliquide du noyau de la Terrenoyau de la Terre, les géophysiciens et les mathématiciensmathématiciens en savent quelque chose. C'est pourquoi ils tentent d'investiguer le contenu des équations de Navier-Stokes pour la mécanique des fluides dans ces situations à l'aide de simulations numériquessimulations numériques ou analogiquesanalogiques comme celle réalisée avec l'expérience VKS.

Depuis les années 1960, les planétologues cherchent en particulier à transposer les modèles de la dynamique de l'atmosphère terrestre au cas des planètes géantesplanètes géantes et en particulier de Jupiter, si emblématique avec sa Grande Tache Rouge et ses bandes nuageuses que l'on sait particulièrement stables depuis plus d'un siècle. On a vu ainsi la constructionconstruction de deux classes de modèles, l'une appelée « shallow models » (modèles peu profonds) et l'autre nommée « deep model » (les modèles profonds). Tous peuvent bien sûr se combiner avec des considérations de chimiechimie des atmosphères et de transfert radiatif en tenant compte du rayonnement reçu du SoleilSoleil, à l'instar des modèles climatiquesmodèles climatiques et météorologiques terrestres.

La première simulation analogique réussie de Jupiter

Des chercheurs comme Jonathan Aurnou étaient parvenus à reproduire sur ordinateurordinateur plusieurs des caractéristiques observées par les missions Voyager et GalileoGalileo. Mais curieusement, personne n'avait réussi à reproduire les courants-jets d'est en ouest de Jupiter et SaturneSaturne dans des simulations analogiques. En l'occurrence, un réservoir d'eau en rotation suffisamment rapide avec des écoulements turbulents. Peut-être s'agissait-il d'une preuve de la défaillance de certaines des hypothèses utilisées pour construire des modèles numériquesmodèles numériques des atmosphères de ces géantes. À moins que ce ne soit des défauts des expériences réalisées en laboratoire.

Diagonalement de gauche à droite et de bas en haut, des images du pôle sud de Jupiter vues par la sonde Cassini. En complément, des images avec des particules colorées traçant les courants et les bandes dans l'expérience réalisée en laboratoire. Les correspondances sont frappantes. © UCLA

Il semble que la question soit désormais tranchée grâce aux travaux menés par Jonathan Aurnou et ses collègues de l'IRPHÉ, une unité mixte de recherche de l'université d'Aix-Marseille, du CNRS et de l'École Centrale Marseille, comme le montre une publication dans le journal Nature Physics. Ces mécaniciens et physiciens des fluides sont en effet parvenus à générer les analogues des courants-jets de Jupiter, tout en montrant que, particulièrement stables, ils s'étendaient à des milliers de kilomètres à l'intérieur de la géante.

Il leur a fallu pour cela construire un dispositif de sustension par coussin d'airair afin de pouvoir faire tourner un réservoir contenant 400 litres d'eau à la vitesse de 75 tours par minute. Sous l'effet de la force centrifugeforce centrifuge, et selon les lois de l'hydrostatique, la surface de l'eau a pris la forme d'un paraboloïde de révolution reproduisant localement la géométrie courbe de l'atmosphère de Jupiter. Au fond du réservoir, des courants d'eau étaient injectés afin d'aider à l'apparition de la turbulenceturbulence.

Les chercheurs vont maintenant comparer les données obtenues avec les expériences réalisées grâce à ce dispositif avec celles que la sonde Juno est en train de collecter en orbiteorbite autour de Jupiter. Ils veulent aussi raffiner le protocoleprotocole utilisé afin de s'approcher un peu plus des conditions qui doivent permettre l'apparition de l'équivalent de la Grande Tache Rouge de Jupiter, dont la nature et la stabilité ne sont toujours pas très bien comprise.

Enquête sur l'atmosphère complexe de Jupiter

Christophe OlryChristophe Olry publié le 15/11/2005

Du fait de son épaisseur et des mouvements de ses vents, l'atmosphère de Jupiter est sans comparaison avec celle de la Terre. Les observations au télescope de la planète géante montrent une succession de bandes nuageuses sombres et claires, parallèles à l'équateur, dans lesquelles les vents soufflent dans des directions opposées. Sur Jupiter, si des tempêtestempêtes tournent continuellement autour de la planète, avec des vents pouvant atteindre 600 kilomètres à l'heure dans la région équatoriale, la structure générale des courants varie peu dans le temps.

Afin de mieux comprendre les mécanismes régissant l'étrange météorologiemétéorologie de Jupiter, une équipe internationale de chercheurs a développé un nouveau modèle informatique. Les simulations qu'ils ont réalisées confirmeraient que les vents sont alimentés par les sources de chaleurchaleur internes de Jupiter, et expliqueraient pourquoi ces mouvements ont si peu varié depuis des siècles.

Simulation des vents sur Jupiter Les couleurs sont fonction de la vitesse des vents : En rouge figurent les vents vers l'est, en bleu vers l'ouest.  © UCLA

L'atmosphère hors norme de Jupiter

Cinquième planète du système solaire, Jupiter appartient à la famille des planètes géantes et gazeuses. Son atmosphère très épaisse est principalement constituée d'hydrogène et d'héliumhélium, ainsi que de petites quantités de méthane, d'ammoniaqueammoniaque et d'autres éléments.

Si le survolsurvol de Jupiter par la sonde Pioneer 10, le 3 décembre 1973, avait conforté les scientifiques dans l'idée que la planète géante avait une atmosphère classique, avec des zones nuageuses calmes et bien ordonnées, les observations des sondes Voyager, Ulysse et Galileo avaient rapidement remis cette hypothèse en question. En effet, les images rapprochées qu'elles avaient transmises avaient montré une atmosphère tumultueuse, balayée par des tempêtes et des tourbillonstourbillons géants.

La circulation des vents sur Jupiter est radicalement différente de celle de notre planète. En particulier, la rotation différentielle de Jupiter voit des bandes nuageuses adjacentes sombres et claires tourner à des vitesses différentes. En effet, la ceinture équatoriale, qui s'étend sur 10 degrés de part et d'autre de l'équateur, a une période de rotationpériode de rotation de 9 heures 50 minutes et 30 secondes, soit cinq minutes de moins que la période de rotation moyenne de Jupiter.

Jupiter, vue par la sonde américaine Cassini le 23 Décembre 2000. © NASA

Le modèle développé par l'UCLA

Jonathan Aurnou, professeur à l'UCLA (University of California, Los Angeles), et ses collègues Moritz Heimpel, de l'université d'Alberta à Edmonton, et Johannes Wicht, de l'institut Max PlanckMax Planck, ont mis au point un modèle informatique à trois dimensions qui génère à la fois un grand jet zonal au niveau de l'équateur, en direction de l'est, et de petits jets alternatifs aux latitudeslatitudes supérieures. Par rotation rapide du fluide, ils modélisent les courants de convection thermique.

Pour bâtir ce modèle, les chercheurs se sont d'abord attelés à déterminer quels étaient les principaux paramètres à considérer afin de bien simuler la météorologie de Jupiter : Ainsi, d'après Jonathan Arnou, les trois principaux « ingrédients » à retenir étaient :

• La modélisation exacte de la géométrie de Jupiter.
• Une bonne modélisation de la convection.
• La rotation rapide de Jupiter.

Les vents seraient alimentés par les entrailles de Jupiter

Jusqu'à aujourd'hui, des hypothèses existaient, mais il était difficile d'expliquer pourquoi les grands courants météorologiques de Jupiter restaient inchangés depuis des siècles, et comment étaient générées ces tempêtes se déplaçant parallèlement à l'équateur, avec des vents atteignant parfois 600 kilomètres à l'heure. Mais le modèle développé par l'équipe de chercheurs vient peut-être de fournir un début de réponse.

« Notre modèle suggère que ce sont des sources de chaleur internes à Jupiter qui, par mouvement de convection, mettent en mouvement les vents de surface. Le modèle nous permet peut-être d'expliquer pourquoi les vents sont si stables depuis des siècles : la surface de Jupiter est la queue, tandis que le chienchien est le coeur ardent de cette planète » a déclaré à ce propos Jonathan Aurnou, professeur à l'UCLA.

« Sur la Terre, à chaque saisonsaison, la composition des vents connaît de grands changements. Sur Jupiter, par contre, il n'y a presque aucune modification. La structure nuageuse évolue, mais les courants des vents à grande échelle restent à peu près constants. »

Le modèle suggère que c'est la convection à travers l'épaisse atmosphère de Jupiter qui alimente les courants zonaux : ainsi, d'après Arnou, « la chaleur au cœur de Jupiter est comparable à la chaleur que la planète reçoit du soleil ».

En effet, alors que la température de Jupiter est d'environ -140 degrés celsiusdegrés celsius au niveau de ses nuages, dans son noyau, formé principalement d'hydrogène, d'helium et de plasma, elle avoisine les 24.000 degrés celsius ! D'autre part le diamètre de Jupiter, de 143.000 kilomètres, est onze fois supérieur à celui de la Terre. Ainsi, les quantités de chaleur qui transitent du cœur à la périphérie sont colossales, et ce seraient elles qui, par convection, alimenteraient en permanence les grands courants météorologiques de surface.

Dans les mois à venir, l'équipe poussera plus en avant ses recherches sur Jupiter, et devrait prochainement étudier la météorologie de Saturne, d'UranusUranus et de NeptuneNeptune...