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Les dunes de Titan seraient formées par des tempêtes... tropicales

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Les régions équatoriales de Titan sont recouvertes par un vaste champ de dunes linéaires se propageant vers l'est. Cette direction est opposée à celle des vents prédits par les modèles climatiques et constitue l'un des grands mystères de ce satellite naturel de Saturne. Une réponse vient d'être donnée : de rares tempêtes tropicales de méthane produiraient de forts vents soufflant vers l'est, transportant de la poussière, comme est parfois emporté sur Terre le sable du désert.

Au premier plan, une image radar des dunes à la surface de Titan combinée avec une photo de Saturne, à l’arrière-plan. © Antoine Lucas

Titan est la plus grande lune de Saturne. Elle est entourée d'une atmosphère épaisse composée principalement de diazote (à environ 98 %), mais aussi de méthane, lequel peut condenser sous la forme de nuages. L'une des grandes surprises de la mission Cassini-Huygens fut la découverte d'un vaste champ de dunes, le plus grand du Système solaire, dans la bande équatoriale de Titan. Il s'agit de dunes linéaires, de plusieurs dizaines de kilomètres de longueur pour une centaine de mètres de hauteur, parallèles à l'équateur. La nature du sable les constituant est encore mystérieuse, mais les planétologues suspectent qu'il est constitué de polymères d'hydrocarbures, sorte de suies, provenant de la photodissociation du méthane dans l'atmosphère.

En analysant la morphologie des dunes autour d'obstacles topographiques ainsi que leur terminaison, le sens de leur propagation a pu être déterminée. Les images radar indiquent alors que toutes les dunes se propagent vers l'est dans la bande équatoriale. Cependant, les modèles climatiques appliqués à Titan prédisent que les vents soufflent en moyenne vers l'ouest à ces latitudes et près de la surface, tout comme les alizés sur Terre. Les dunes se propagent donc dans la direction contraire aux vents prédits, constituant ainsi une grande énigme.

Nuages tropicaux de méthane photographiés par Cassini lors de l’équinoxe. © Nasa, JPL

Coup de sirocco sur Titan

Malgré ces prédictions pour les vents de surface équatoriaux, les vents soufflent partout vers l'est à plus haute altitude. Ce phénomène s'appelle la superrotation. Un couplage entre elle et la formation des dunes de Titan permettrait de résoudre le mystère de leur propagation vers l'est. Les chercheurs ont alors imaginé un possible couplage par l'intermédiaire des tempêtes de méthane se produisant au moment de l'équinoxe dans la bande équatoriale. Ces tempêtes sont rares mais particulièrement violentes. Il s'agit de gros systèmes convectifs se développant jusqu'à de hautes altitudes. Une équipe internationale s'est penchée sur la question, réunissant des chercheurs du Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS, IPSL, UPMC, ENS, École Polytechnique), du Southwest Research Institute à Boulder (Colorado) et d'autres laboratoires (IPGP, AIM, MSC) rattachés au CNRS, au CEA et à l'université Paris-Diderot.

Leur étude a montré, à l'aide d'un modèle météorologique régional appliqué à Titan, que les tempêtes de méthane devaient être associées à de forts courants descendants qui s'écoulent naturellement vers l'est en atteignant la surface. Ces fortes rafales de vent dominent le transport sédimentaire et propagent les dunes vers l'est.

En combinant ces résultats avec les régimes de vents prédits par un modèle climatique global de Titan et en utilisant des analogies avec la formation de dunes linéaires sur Terre, les chercheurs ont pu proposer un scénario général pour la formation des dunes de Titan. Celui-ci explique la plupart des caractéristiques majeures de ses dunes : forme, orientation, sens de propagation, taille et espacement. Il dévoile aussi que le sable de cette lune de 5.150 km de diamètre s'est nécessairement formé dans les régions équatoriales, alors qu'il avait été proposé qu'il se produise dans les régions polaires où se trouvent des mers de méthane liquide.

Finalement, les fortes rafales de vent à la surface de Titan lors des tempêtes tropicales impliquent la probable apparition de tempêtes de sable ou de poussières, très communes durant les épisodes orageux au-dessus des déserts terrestres. Cette étude, publiée le 13 avril 2015 dans Nature Geoscience, révèle donc que les processus éoliens sur le deuxième plus grand satellite naturel du Système solaire sont contrôlés par de rares évènements violents et en font un monde bien plus dynamique que prévu.