Une image à haute résolution de la Grande Tache Rouge de Jupiter. © Nasa

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Jupiter : ses vents dévastateurs recréés en laboratoire

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Pour expliquer la stabilité séculaire des courants-jets violents de Jupiter et sonder la structure de la géante, un groupe de physiciens 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.

Jupiter : de saisissantes images de la Grande tache rouge  On trouve à la surface de Jupiter un gigantesque anticyclone d’environ 15.000 km de long. Cette Grande tache rouge, visible depuis la Terre, intrigue depuis longtemps les scientifiques. Découvrez cet étonnant phénomène durant cette vidéo proposée par la Nasa. 

La dynamique des fluides planétaires dans un référentiel 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 convections et des ondes dans l'atmosphère terrestre à celles qui règnent dans la partie liquide du noyau de la Terre, les géophysiciens et les mathématiciens 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 numériques ou analogiques 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 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 construction 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 chimie des atmosphères et de transfert radiatif en tenant compte du rayonnement reçu du Soleil, à l'instar des modèles climatiques et météorologiques terrestres.

La première simulation analogique réussie de Jupiter

Des chercheurs comme Jonathan Aurnou étaient parvenus à reproduire sur ordinateur plusieurs des caractéristiques observées par les missions Voyager et Galileo. Mais curieusement, personne n'avait réussi à reproduire les courants-jets d'est en ouest de Jupiter et Saturne 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 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'air 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 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 turbulence.

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 orbite autour de Jupiter. Ils veulent aussi raffiner le protocole 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.

Pour en savoir plus

Enquête sur l'atmosphère complexe de Jupiter

Christophe 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 tempêtes 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 météorologie 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 chaleur 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'hélium, ainsi que de petites quantités de méthane, d'ammoniaque et d'autres éléments.

Si le survol 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 tourbillons 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 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 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 latitudes 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 chien est le coeur ardent de cette planète » a déclaré à ce propos Jonathan Aurnou, professeur à l'UCLA.

« Sur la Terre, à chaque saison, 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 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'Uranus et de Neptune...