Une vue d'artiste des ondes de chaleurs issues des pôles de Jupiter en direction de son équateur. © J. O'Donoghue (Jaxa)/Hubble/Nasa/ESA/A. Simon/J. Schmidt
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L'énigme de la crise de l'énergie de Jupiter est presque résolue

ActualitéClassé sous :Jupiter , Système solaire , Planète géante gazeuse

La thermosphère de Jupiter est presque aussi chaude que celle de la Terre alors que la planète est cinq fois plus éloignée du Soleil. L'énigme du chauffage de cette partie supérieure de l'atmosphère de la géante gazeuse semble enfin avoir trouvé une solution partielle et elle fait intervenir les aurores polaires sur Jupiter.

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[EN VIDÉO] 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. 

Il y a cinq ans, Futura avait expliqué dans le précédent article ci-dessous que les planétologues pensaient être sur la piste de la solution à une énigme révélée à la fin des années 1970 par l'arrivée des missions Voyager aux abords de Jupiter. L'énigme en question avait été surnommée « la crise de l'énergie ». Voyons voir pourquoi.

On sait depuis longtemps que le flux d'énergie d'une source lumineuse comme le Soleil décroît comme l'inverse du carré de la distance à cette source. Ceux qui veulent s'en convaincre peuvent se reporter au cours de physique du prix Nobel de physique Richard Feynman en consultation libre sur la toile, plus précisément aux chapitres traitant justement de façon élémentaire de la théorie du rayonnement électromagnétique. Le cours d'introduction à l'astrophysique du célèbre William H. Press peut aussi être consulté avec fruit à ce sujet.

On sait aussi calculer le chauffage moyen que produit l'absorption de ce rayonnement par l'atmosphère d'une planète. Il faut bien sûr utiliser un modèle beaucoup plus compliqué si l'on veut vraiment comprendre la météorologie et le climat d'une planète (théorie du transfert radiatif, mécanique des fluides dans un référentiel en rotation, etc.). Toujours est-il que Jupiter étant à plus de cinq fois la distance du Soleil par rapport à la Terre et connaissant la valeur du flux d'énergie solaire tombant sur notre Planète bleue, on peut estimer facilement la température moyenne dans la haute atmosphère de Jupiter. Elle devrait être d'environ -73 °C. Or ce n'est vraiment pas ce qu'ont permis d'estimer les données des sondes Voyager puisque la valeur obtenue est de +426 °C.

Dans cette vidéo, on voit d'abord une image de Jupiter en lumière visible avant qu'une impression artistique de rayonnement infrarouge de la haute atmosphère jovienne ne soit superposée. La luminosité et les fausses couleurs choisies, associées à cette couche supérieure de l'atmosphère, correspondent aux températures, du chaud au froid, allant dans l'ordre suivant : blanc, jaune, rouge vif et enfin rouge foncé. Les aurores sont les régions les plus chaudes et l'animation montre comment la chaleur peut être transportée par les vents loin des aurores et provoquer un réchauffement planétaire. À la fin, des données réelles sont ajoutées avec une échelle de température, indiquant les températures globales observées et mesurées dans l'étude publiée aujourd'hui dans Nature. © J. O'Donoghue (Jaxa)/Hubble/Nasa/ESA/A. Simon/J. Schmidt

Des transports de chaleur stoppés par la force de Coriolis ?

En transposant l'expérience des géophysiciens externes sur Terre, les planétologues avaient avancé l'hypothèse que la source de chaleur responsable de cette anomalie se trouvait peut-être au niveau de l'impact du vent solaire aux pôles de Jupiter, les courants électriques générés au niveau des aurores pouvant produire un chauffage ohmique.

Toutefois, l'hypothèse avait été écartée car la modélisation de la circulation dans l'atmosphère de Jupiter en tenant compte de l'effet des forces de Coriolis sur cette circulation (rappelons que Jupiter est plus grande que la Terre et tourne sur elle-même en environ 10 heures seulement) laissait penser que des vents devaient bloquer tout transport de chaleur conséquent des pôles vers l'équateur et donc rendre impossible le chauffage global de la haute atmosphère de Jupiter révélé par les sondes Voyager.

Mais, aujourd'hui, une équipe internationale de chercheurs combinant des observations au sol menées avec l'observatoire Keck sur le Mauna Kea à Hawaï et celles obtenues avec la sonde Juno de la Nasa en orbite autour de Jupiter, complétées par les données du satellite Hisaki (un petit télescope spatial japonais effectuant ses observations dans l'ultraviolet extrême qui a été placé sur une orbite terrestre basse le 14 septembre 2013), vient de remettre en cause cette objection comme elle l'explique dans un article publié en accès libre dans la célèbre revue Nature.

En effet, des observations menées en 2016 et 2017 à l'aide de l'instrument Near-Infrared Spectrometer (NIRSPEC) équipant les télescopes du Keck ont permis de dresser une carte des variations de température des pôles à l'équateur de la haute atmosphère de Jupiter. Les données de Juno et Hisaki ont permis de remonter au même moment à des données concernant le champ magnétique de la géante gazeuse en rapport avec l'occurrence d'aurores boréales.

Un effet de compression de la magnétosphère ?

Les planétologues ont alors eu la surprise de voir précisément à cette occasion des variations de température trahissant un flux de chaleur allant de régions chaudes localisées aux aurores polaires vers l'équateur où les températures étaient plus basses. C'est ce que montre la vidéo ci-dessus. Clairement, un mécanisme encore indéterminé.

Dans l'article de Nature, les chercheurs expliquent que les mesures effectuées suggèrent qu'il existe un lien entre la dynamique de la compression de la magnétosphère de Jupiter par le vent solaire et la production d'une onde thermique de chauffage partant des pôles. Il est intéressant de se rappeler à ce sujet qu'un lien de ce genre a été proposé en ce qui concerne des flashs en rayons X au niveau des pôles à l'occasion des aurores.

Jupiter est montrée en lumière visible avec, comme dans la vidéo ci-dessus, une impression artistique de la lueur infrarouge de la haute atmosphère jovienne superposée, ainsi que des lignes de champ magnétique (lignes bleues). © J. O'Donoghue (Jaxa)/Hubble/Nasa/ESA/A. Simon /J. Schmidt
Pour en savoir plus

Au-dessus de la Grande Tache rouge de Jupiter, il fait trop chaud

Article de Laurent Sacco publié le 01/08/2016

La thermosphère de Jupiter est presque aussi chaude que celle de la Terre alors que la planète est cinq fois plus éloignée du Soleil. L'énigme du chauffage de cette partie supérieure de l'atmosphère de la géante est peut-être sur le point d'être résolue grâce à la découverte d'une région aussi chaude que de la lave au-dessus de la Grande tache rouge.

Comme leurs collègues dans la mission Voyager, à laquelle ils participaient, André Brahic et Carl Sagan ont dû être surpris quand la sonde a permis d'estimer la température de la thermosphère de Jupiter en 1979. Il s'agit d'une partie de l'atmosphère supérieure de la planète, à 500 km au-dessus du niveau des nuages. Les calculs basés sur l'apport d'énergie du rayonnement solaire avaient conduit à estimer cette température à environ 200 kelvins. Elle pouvait atteindre de 800 à 1.000 kelvins, de quoi largement faire fondre du plomb si la densité et la pression n'étaient pas si basses à cette altitude. Ce fait étrange a été confirmé depuis par la sonde Galileo qui a aussi pu mesurer les variations du profil de température avec l'altitude lorsqu'elle a fini sa vie en étant précipitée par les navigateurs interplanétaires de la Nasa dans l'atmosphère de la géante gazeuse.

Cela fait presque 40 ans que les planétologues spécialisés dans l'atmosphère des planètes cherchent à comprendre l'origine de cette température. Plusieurs idées ont été proposées au fil des années dans le but de résoudre ce qui a été nommé la « crise de l'énergie » pour Jupiter. On sait par exemple que la thermosphère de Jupiter est le lieu où se produisent les spectaculaires aurores de la planète. Les courants peuvent bien sûr dissiper de la chaleur par effet Joule et l'on pouvait donc penser que c'était là le mécanisme expliquant l'énigme de la température de la thermosphère. Mais Jupiter tourne rapidement sur elle-même, en moins de 10 heures alors que son diamètre est de l'ordre de 140.000 km. On a pu montrer que cela avait pour effet de bloquer la propagation de la chaleur générée par les aurores. Elle reste donc au niveau des pôles.

Une équipe d'astrophysiciens des universités de Boston (USA) et Leicester (Angleterre) vient de publier dans le journal Nature un travail basé sur de nouvelles mesures de la température de l'atmosphère de Jupiter, mais depuis le sol cette fois-ci, à l'aide de l'Infrared Telescope Facility ou IRTF de la Nasa. Il s'agit d'un télescope infrarouge de trois mètres de diamètre, situé au sommet du Mauna Kea, entré en service en 1979 pour aider l'agence spatiale à préparer ses missions spatiales dans le Système solaire.

Des ondes émises dans les régions turbulentes de la surface de Jupiter expliqueraient le chauffage de sa thermosphère. Ce mécanisme supposé est particulièrement efficace au-dessus de la Grand Tache rouge où règne une température deux fois plus élevée qu’ailleurs dans la thermosphère. © Karen Teramura, UH IfA, James O’Donoghue, Luke Moore

Les chercheurs ont utilisé le rayonnement provenant des cations de trihydrogène (H3+) présents dans la thermosphère où ils ont été découverts pour la première fois hors des laboratoires terrestres en 1989. Les chercheurs savent maintenant que c'est l'ion le plus abondant dans le milieu interstellaire, où il peut demeurer stable compte tenu des températures et pressions très basses qui y règnent. Or, la lumière infrarouge qu'il émet est le reflet de la température du milieu dans lequel il se trouve. Il peut donc jouer le rôle de thermomètre.

La thermosphère surchauffée par des ondes turbulentes ?

Occupé à cartographier la thermosphère de Jupiter, l'astronome James O’Donoghue, puis ses collègues, n'en a pas cru ses yeux quand il a découvert que la température au-dessus de la Grande tache rouge était de 1.600 kelvins ! On peut en déduire que ce gigantesque anticyclone, dont la stabilité est mal comprise, est directement lié à la présence de cette région à haute température. Cela donne donc plus de crédit à deux mécanismes proposés pour chauffer la thermosphère : les ondes de gravité (à ne pas confondre avec les ondes gravitationnelles) et les ondes sonores.

Les ondes de gravité, dont l'exemple le plus connu est tout simplement celui des vagues à la surface de l'eau, sont des ondes induites par la force de gravité sur des masses légèrement déplacées de leur position d'équilibre. Elles se mettent à osciller comme le ferait un poids au bout d'un ressort. Les ondes sonores sont elles des variations de la pression dans un fluide. Ces ondes sont émises dans l'atmosphère de la Terre et se propagent également à l'intérieur du Soleil. Leur présence dans l'atmosphère de Jupiter n'a donc rien d'étonnant. Mais celles que générerait la Grande Tache rouge seraient particulièrement fortes et deviendraient très turbulentes en arrivant dans la thermosphère. Elles s'y comporteraient donc comme une source de chaleur. On peut se faire une idée de l'apparition de cette turbulence en pensant à ce qui se passe avec le ressac, quand une vague se brise sur le rivage.

La Grande Tache rouge n'est pas la seule zone turbulente à la surface de Jupiter. On peut donc penser maintenant que le chauffage de la thermosphère de Jupiter provient en général des ondes sonores et de gravité générées dans l'atmosphère basse. Mais il reste du travail à faire, que ce soit en continuant à cartographier la température de la thermosphère et à tenter de la relier à ce qui se passe plus bas dans l'atmosphère de Jupiter, et en étudiant des modèles numériques de cette atmosphère pour vraiment comprendre ce qui se passe et résoudre définitivement l'énigme de la crise de l'énergie sur Jupiter.

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