Ce que Cassini nous a appris de Saturne

Lorsqu'en octobre 1997 la sonde Cassini-Huygens quitte la Terre, ce que l'on sait de la planète SaturneSaturne provient essentiellement des missions Voyager 1Voyager 1 et 2, qui l'ont survolée en 1980 et 1981, et de campagnes d'observations menées au sol, qui scrutent Saturne avec moins de détails.

Concernant Cassini, la sonde avait pour objectif d'étudier la magnétosphère de Saturne, sa haute atmosphèreatmosphère avec ses nuagesnuages, ses courants et ses tempêtestempêtes, sa chimie et ses principales caractéristiques physiques.

À l'heure du bilan, par rapport à Voyager, « le bond est énorme dans la connaissance de Saturne ! », nous explique Sandrine Guerlet, astrophysicienne au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD), à l'université Pierre-et-Marie-Curie, et spécialiste de l'étude des atmosphères terrestre et planétaires. 

Bandes nuageuses dans l'atmosphère de Saturne. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

En effet, les sondes Voyager n'avaient effectué qu'un survolsurvol chacune, alors que Cassini a « pu fournir treize années de relevés de différentes variables atmosphériques (de température, composition, couverture nuageuse, vitesse des ventsvents...) du nord au sud et à différentes saisonssaisons ».

Certaines observations en elles-mêmes sont inédites et ont mené à des découvertes, comme par exemple le fait « d'avoir observé des vortex cycloniques compacts autour des deux pôles, d'avoir fait des mesures dans la nuit polaire (ce qui est impossible depuis le sol ou l'orbiteorbite terrestre), et d'avoir découvert une oscillation périodique du vent zonal à l'équateuréquateur, dans la stratosphèrestratosphère de Saturne, au-dessus des nuages ». D'autres observations ont besoin d'une analyse plus fine et d'être confrontées à des modèles (en cours de développement) pour comprendre les processus physiques sous-jacents qui permettent de les expliquer.

Des données inédites sur l'atmosphère de Saturne

La connaissance observationnelle des propriétés physico-chimiques de l'atmosphère « est donc très étendue ». Mais les scientifiques n'ont pas encore une « bonne compréhension des processus physiques qui gouvernent, dans les détails, les variations spatio-temporelles de température, de composition et de vent mesurées ».

En effet, l'atmosphère est un système complexe, où différents processus sont couplés. Par exemple, les « variations en composition sont à la fois dues aux variations de l'activité photochimique, qui dépend de l'insolationinsolation locale (et donc de la latitudelatitude et des saisons), mais aussi des vents, qui transportent ces espècesespèces ». Quant aux variations de températures, elles dépendent à la fois de « l'insolation, de l'abondance des espèces qui absorbent et émettent du rayonnement (et donc chauffent ou refroidissent l'atmosphère) et des vents ».

En retour, les gradientsgradients de températures influent sur les vents via différents mécanismes de dynamique atmosphérique... Ainsi, par exemple, les nombreux relevés de température effectués par Cassini « ne sont pas simples à interpréter de manière isolée mais peuvent prendre sens à l'aide de modèles prenant en compte l'ensemble de ces processus ».

La grande tempête de Saturne est connue pour apparaître tous les trente ans. Sauf qu'en décembre 2010, les scientifiques ont été très surpris de la voir arriver dix ans plus tôt que prévu ! Ce fut l'occasion inespérée de l'étudier avec la sonde Cassini. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

Pour cela, « nous sommes en train de construire des modèles numériquesmodèles numériques analogues aux modèles du climatclimat sur Terre », qui seront confrontés aux observations afin de valider ou non ces théories et mieux comprendre le fonctionnement de l'atmosphère de Saturne, ses similarités et ses différences avec la Terre ou d'autres planètes.

La mission Cassini apporte donc une moisson de données inédite et primordiale. « Auparavant, il y avait peu d'efforts faits pour développer ce type de modèle de "climat" de Saturne, justement par manque de contraintes observationnelles (les modèles auraient été impossibles à valider ou invalider) », alors que, désormais, « cette approche de modélisation plus fine est possible ». C'est presque un « nouveau domaine de recherche qui s'ouvre ».

Les tempêtes de Saturne, des phénomènes étonnants

Ceci dit, il est à noter que « plusieurs phénomènes météorologiques et caractéristiques de Saturne sont toujours mal compris ». De manière générale, les tempêtes sont toujours mal connues ; « on ne sait pas ce qui gouverne leur cycle et leur fréquencefréquence ». C'est notamment vrai pour la grande tempête qui a « soufflé sur Saturne de décembre 2010 à août 2011 et fait tout le tour de la planète en seulement quelques semaines ».

Son observation a été une vraie surprise. Personne ne s'attendait à ce que Cassini soit témoin de cette grande tempête qui « survient une fois tous les trente ans ». Lors des deux derniers siècles, « elle a été observée à intervalles réguliers d'une trentaine d'années ». La dernière observation date de 1990. Il ne s'est donc écoulé « "que" vingt ans entre ces deux tempêtes ».

Comment expliquer la formation de cette grande tempête ? « On suppose qu'elle sert de soupape à la planète en évacuant une partie de l'énergie interneénergie interne de Saturne, qui émet plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du SoleilSoleil ». Un surplus qui « n'est toujours pas expliqué ».

L'hexagone de Saturne. Ces deux images ont été acquises à des saisons différentes, ce qui explique les changements de couleur. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

Le mystérieux hexagone du pôle nord

Autre phénomène météorologique surprenant : l'hexagone situé au pôle nord de la planète. Vraisemblablement structurée par des vents atmosphériques « soufflant à 100 m/s (360 km/h) alors même que l'hexagone est stationnaire », cette structure météorologique, dont chacun des six côtés est plus grand que la Terre, « étonne par sa singularité et sa longévité ». Voyager l'avait déjà observée il y a trente-cinq ans et, au cours des treize ans de la mission Cassini, cette « structure est restée insensible au changement de saison. Son ancrage très en profondeur l'expliquerait ».

De façon très surprenante, la « duréedurée du jour de Saturne n'est pas connue de façon exacte » ! Aujourd'hui, elle est estimée à « 10 h 40 mn, plus ou moins 7 minutes ». Cela peut paraître anodin mais cette incertitude sur la « vitesse de rotationvitesse de rotation de la planète rend très difficile la mesure précise de la vitesse des vents ». En effet, pour mesurer la vitesse des vents, une technique consiste à repérer le déplacement des nuages sur deux images successives. « On aimerait pouvoir dire "le nuage s'est déplacé de 200 km en 2 heures, le vent souffle donc à 100 km/h" mais ce n'est pas si simple ». En effet, ce déplacement a deux composantes :

• la rotation globale de la planète, qui entraîne toute l'atmosphère, nuages compris ;
• le déplacement supplémentaire dû au vent qui souffle le nuage, que l'on souhaiterait isoler.

Or, une « erreur de sept minutes sur la durée du jour induit une incertitude de plus ou moins 200 km/h sur la vitesse des vents ! ». Cette imprécision a évidemment des conséquences négatives sur les « modèles de la circulation atmosphériquecirculation atmosphérique, qui sont difficiles à valider ».

Bien qu'il reste encore des données de Cassini à exploiter, « de nombreuses questions resteront sans réponse ». C'est pourquoi des scénarios de nouvelles missions sont d'ores et déjà à l'étude pour retourner sur Saturne. Deux projets sont en préparation aux États-Unis et un en Europe « afin d'envoyer une ou plusieurs sondes plonger dans l'atmosphère de Saturne et mesurer in situ la composition, la température, les vents... sur des centaines de kilomètres. L'objectif est de mieux contraindre, non seulement les modèles de climat, mais également les scénarios de formation de la planète et, par extension, du Système solaireSystème solaire ».