Voici en fausses couleurs une image radio de Jupiter réalisée avec Alma. Les bandes lumineuses indiquent les températures élevées et les bandes sombres les températures basses. Les bandes sombres correspondent aux zones sur Jupiter, qui sont souvent blanches aux longueurs d'onde visibles. Les bandes lumineuses correspondent aux ceintures brunes de la planète. Cette image contient plus de 10 heures de données, soit le temps que met Jupiter pour effectuer sa rotation. Par conséquent, la combinaison de ces données trahit la rotation de la planète qui a rendu les détails flous. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), I. de Pater et al.; NRAO/AUI NSF, S. Dagnello

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Jupiter : que se passe-t-il sous ses nuages lors d'une tempête ?

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Les planétologues étudient les nuages et l'atmosphère de Jupiter par analogie avec ceux de la Terre. Les observations faites avec Alma complètent aujourd'hui celles faites avec d'autres instruments pour révéler ce qui se passe dans les couches nuageuses de la géante gazeuse.

Une des critiques parfois faites à l'astrophysique et à la cosmologie est qu'il n'est pas possible de développer et de tester les théories dans ces deux domaines de connaissance à la façon dont le font les physiciens et les chimistes sur Terre, c'est-à-dire en contrôlant plus ou moins à volonté les paramètres et les conditions d'expériences reproductibles en laboratoire.

La réponse, au moins dans le domaine de l'astrophysique, est que la Nature elle-même réalise les expériences avec un très grand nombre d'étoiles, de galaxies... possédant des valeurs différentes pour les masses, les températures, les compositions chimiques, etc. Mieux, le cosmos lui-même fournit des expériences que l'on ne peut pas réaliser sur Terre ou difficilement, par exemple dans le domaine de la physique des hautes énergies avec les accélérateurs de particules. On étudie ainsi des rayons cosmiques de ultra-hautes énergies produits vraisemblablement par des accélérateurs aussi colossaux que les noyaux actifs de galaxies.

Quelques informations sur l'atmosphère de Jupiter. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

La même stratégie est développée dans le cadre de la planétologie comparée. Les phénomènes géologiques et atmosphériques sur Terre permettent de comprendre ceux de la Lune, de Mars, de Vénus et aussi des planètes géantes comme Jupiter, Saturne ou Neptune. Les modèles météorologiques sur Terre peuvent ainsi être étendus aux atmosphères de Vénus et Jupiter. Inversement, l'étude de ces atmosphères, par exemple en transposant les simulations numériques bien terrestres aux enveloppes fluides de ces astres mais en remplaçant les valeurs de la gravité, de la vitesse de rotation et bien sûr de l'éclairement du Soleil, ainsi que la composition des atmosphères par celles de ces deux planètes, permet de tester la validité de ces simulations d'une autre manière qu'en comparant leurs prédictions à ce qui est observé et surtout mesuré sur la Planète bleue.

Des missions comme Galileo, et aujourd'hui Juno, ne permettent donc pas seulement aux planétologues passionnés par les atmosphères planétaires d'étendre leur terrain de jeux et d'exploration favori. Elles permettent aussi d'apprendre potentiellement des choses nouvelles sur la Terre elle-même, sa météorologie et son climat. Cela pourrait être crucial pour affiner nos scénarios concernant ce qui va se passer avec le réchauffement climatique d'origine anthropique.

Les nuages de Jupiter et les éruptions des tempêtes

Comme l'explique dans un communiqué du National Radio Astronomy Observatory (NRAO) la célèbre planétologue Imke de Pater (University of California, Berkeley), coauteure de l'ouvrage Fundamental planetary science : physics, chemistry, and habitability, notre connaissance de l'atmosphère de Jupiter vient de faire un nouveau pas en avant grâce à l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma). Avec ses collègues, Imke de Pater rend compte des progrès ainsi effectués dans un article publié dans the Astronomical Journal, et disponible en accès libre sur arXiv.

Ces deux cartes plates de Jupiter en ondes radioélectriques avec Alma (en haut) et en lumière visible avec le télescope spatial Hubble (en bas) montrent une tempête (Eruption) dans la ceinture équatoriale Sud. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), I. de Pater et al. ; NRAO/AUI NSF, S. Dagnello ; Nasa/Hubble

Les données fournies par Alma permettent d'en savoir un peu plus sur ce qui se passe sous la couche nuageuse de Jupiter, en dressant une carte en trois dimensions de cette couche sur une épaisseur d'environ 50 kilomètres (pour mémoire le rayon de Jupiter est d'environ 70.000 kilomètres) aux longueurs d'onde accessibles au radiotélescope.

Lorsque l'on parle de l'atmosphère de Jupiter, on considère en fait une couche nuageuse très mince de moins de 150 kilomètres d'épaisseur allant de la base de la troposphère à la tropopause (des couches définies par analogie avec celles de l'atmosphère terrestre). Au sommet, on voit des nuages faits de glace d'ammoniac couvrant des nuages composés de particules d'hydrosulfure d'ammonium ou de sulfure d'ammonium, en dessous desquels doivent se trouver, croit-on, des nuages de gouttelettes d'eau liquide. Jupiter elle-même étant principalement composée d'hydrogène et d'hélium avec des traces de méthane et d'éthane.

La couche nuageuse est elle-même constituée de la fameuse alternance de bandes brunes et blanchâtres vues depuis la Terre dans un bon télescope et observées de plus près par les sondes Voyager notamment. C'est dans cette couche que se produisent des tempêtes et des orages qui ont justement fait l'objet de nouvelles observations avec Alma. Elles permettent notamment d'en savoir plus sur les panaches de nuages brillants qui sont produits par des tempêtes et qui font éruption jusqu'au sommet de la couche nuageuse, entraînant parfois des ruptures dans les bandes nuageuses bien visibles pendant des mois, voire des années.

Au sujet de celle qui a été étudiée à partir du début janvier 2017, Imke de Pater explique que : « Nos observations avec Alma sont les premières à montrer que de fortes concentrations d'ammoniac sont soulevées lors d'une éruption énergétique. La combinaison d'observations simultanées à différentes longueurs d'onde nous a permis d'examiner l'éruption en détail. Cela nous a amenés à confirmer la théorie selon laquelle les panaches énergétiques sont déclenchés par une convection humide à la base des nuages ​​d'eau, situés en profondeur dans l'atmosphère. Les panaches amènent de l'ammoniac des profondeurs de l'atmosphère jusqu'aux altitudes élevées, bien au-dessus de la surface des nuages ​​d'ammoniac. ».

Cette animation d'artiste montre Jupiter en ondes radio avec Alma et en lumière visible avec le télescope spatial Hubble (HST). © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), I. de Pater et al. ; NRAO/AUI NSF, S. Dagnello ; Nasa/Hubble

  • Les études des atmosphères planétaires dans le Système solaire se complètent car elles permettent de tester les modèles de ces atmosphères dans différentes conditions de température, gravité, composition chimique et éclairement du Soleil. Elles pourraient être précieuses pour améliorer les prédictions climatiques dans le cas de la Terre.
  • Des tempêtes avec des éruptions de panaches se produisent dans et au-dessus de la couche nuageuse de Jupiter.
  • Les observations de l'intérieur de cette couche avec le radiotélescope Alma complètent celles faites à d'autres longueurs d'onde et permettent de préciser nos modèles concernant cette couche et ce qui s'y passe.
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