Atmosphères planétaires : le cas de Vénus

Vénus est la deuxième planète la plus proche du Soleil, qui fonctionne sur une orbite presque circulaire à une distance de 0,72 AU (unité astronomique, distance moyenne entre la Terre et le Soleil, près de 150 millions de kilomètres). La période de rotation de Vénus (224,7 jours sur Terre) est inférieure à sa période de rotation (243 jours sur Terre). C'est-à-dire, sur Vénus l'année est plus courte que la journée. L'axe de rotation de la planète est presque perpendiculaire à l'écliptique, au plan défini par l'Équateur du Soleil. Ainsi, Vénus n'a pas de stations et tourne dans le sens inverse des autres planètes du système solaire (voir figure 1).

Vénus est très similaire à la Terre à bien des égards, par exemple par sa taille (le rayon de Vénus est 95% de la Terre) et par sa masse (96,1%). Mais à d'autres moments, les deux planètes n'ont rien à voir, par exemple, avec l'atmosphère. Celui de la terre est composé principalement d'azote (N 2 , 78,1%) et d'oxygène (0 2 , 21%). Celle de Vénus, quant à elle, est de dioxyde de carbone (CO 2 , 96,5%) et d'azote (N 2 , 3,5%), et la présence d'eau est seulement de 20 ppm (parties par million). Cela rend l'atmosphère de Vénus beaucoup plus dense et plus chaude. En fait, la pression atmosphérique à la surface est de 90 bar, 90 fois plus grande que sur la surface terrestre, et la température de 460 ºC. Si cela était peu, les nuages sont d'acide sulfurique, de sorte que la pluie est très corrosive, mais en raison des températures élevées s'évapore avant d'atteindre la surface. Ces conditions extrêmes rendent difficile l'exploration de la surface. Seules les sondes spatiales soviétiques Venera des années 70 ont réussi à se poser en surface et n'ont pas dépassé les 110 minutes d'activité.

Effet de serre

Certains gaz potentiellement présents dans l'atmosphère, comme le dioxyde de carbone, le méthane et la vapeur d'eau, provoquent l'effet de serre sur plusieurs planètes. Le rayonnement solaire se trouve presque entièrement dans le spectre visible, et puisque les gaz mentionnés n'absorbent pas ces longueurs d'onde, la lumière peut atteindre sans obstacles la surface et augmenter sa température. D'autre part, la chaleur que la surface de la planète émet à l'espace, le rayonnement thermique, se situe dans le spectre infrarouge, et puisque les gaz cités peuvent absorber ces longueurs d'onde, le rayonnement est « piégé » dans l'atmosphère, augmentant encore la température.

Sur Terre comme sur Vénus, il y a un effet de serre, mais il y a deux grandes différences. D'une part, le CO 2 et la quantité de vapeur d'eau présentes dans l'atmosphère terrestre sont très faibles par rapport au CO 2 de Vénus. Et d'autre part, la Terre a de l'eau ; les océans ont la capacité de détruire CO 2, équilibrent dans une certaine mesure l'effet de serre (au moins la partie intrinsèque de l'effet, pas celle provoquée par l'homme) et la température moyenne sur la surface terrestre est de 15 °C, c'est-à-dire que la planète est habitable. Sur Vénus, cependant, il n'y a pas d'océans et l'effet de serre provoque des températures incroyables (460ºC).

Figure . En raison des nuages et des gaz à effet de serre, une partie du rayonnement thermique émis par la surface ne passe pas dans l'espace, ce qui provoque un réchauffement de l'atmosphère. Image: Itziar Garate.

Cependant, sur la surface il y a du dioxyde de carbone. En fait, tout comme dans l'atmosphère de Vénus il y a CO 2 comme minéraux carbonés, il est donc considéré que les deux atmosphères, malgré les mêmes conditions initiales, ont subi des évolutions très différentes. Autrefois Vénus pourrait être très semblable à la Terre, avec des températures plus basses et avec de l'eau liquide sur la surface. À un certain moment, la planète pourrait commencer à chauffer jusqu'à évaporer toute l'eau de surface, ce qui, étant la vapeur d'eau la plus efficace dans l'effet de serre que le CO 2, augmenterait encore la température. Vous pourriez alors commencer à sublimer le carbone des roches et générer du CO 2 de plus en réagissant avec l'oxygène atmosphérique. En sublimant tout le carbone dans l'atmosphère, il atteindrait un équilibre de température et de pression plus élevé et formerait la Vénus que nous connaissons aujourd'hui.

Superrotation

En plus de la composition, la dynamique atmosphérique de Vénus est très différente de celle de la Terre. Sur notre planète, la période de rotation de l'atmosphère est très similaire à celle de la surface, c'est-à-dire le temps nécessaire pour tourner l'atmosphère autour de la planète et la Terre elle-même est très similaire. Sur Vénus, la vitesse de l'atmosphère augmente avec la hauteur jusqu'à atteindre 65 kilomètres. L'atmosphère y a une vitesse maximale de 360 km/h, soit 60 fois plus rapide que la surface. Sur Terre, cependant, les vents les plus forts n'ont que des vitesses qui dépassent de 10-20% la rotation de la planète. Ce phénomène est connu comme la superrotation, et on ne sait pas encore son origine ni comment il peut être maintenu.

Dans le système solaire il y a un autre cas de superrotation, à Titan. Titan est la plus grande lune de Saturne, la seule avec une atmosphère remarquable. Comme dans le cas de Vénus, il a une rotation lente et une atmosphère rapide. Un jour de titane dure 16 jours terrestres, mais les vents à 125 km de haut se déplacent entre 8 et 9 fois plus vite que la surface.

Absorbant ultraviolet

Une autre caractéristique importante de Vénus est qu'il est entièrement couvert de nuages. Bien que ces nuages ne soient pas isolément épais, l'opacité de toute la couche de nuages qui s'étend à environ 45-65 km empêche l'observation de celle qui est en dessous. Actuellement, en utilisant le spectromètre d'images du vaisseau spatial Venus Express de l'Agence spatiale européenne ou une caméra avec des filtres spécifiques, on analyse le spectre électromagnétique du rayonnement émis par la planète, car en mesurant le rayonnement de différentes longueurs d'onde, on peut étudier les différentes propriétés et hauteurs de l'atmosphère.

Figure . Les deux images de gauche sont instantanées et montrent les nuages au-dessus de la couche de nuages. Les deux à droite sont quatre jours plus tard et montrent les nuages à 45 et 65 km de l'atmosphère respectivement. Source : ESA.

Par exemple, dans la zone ultraviolette, partie de la planète actuelle, on peut observer la lumière solaire réfléchie. Comme la réflexion se produit au sommet de la couche de nuages, les images ultraviolettes présentent la distribution des nuages à 65 km dans l'atmosphère (voir figure 3). En fait, les zones lumineuses et sombres sont intercalées dans les images, ce qui indique l'existence d'un puissant absorbant de lumière ultraviolette encore inconnue.

75% de la lumière qui atteint Vénus se reflète, mais comme presque tout le rayonnement du Soleil est visible, dans ces longueurs d'onde la planète est très brillante et aucune zone de nuages n'est appréciée dans les images. Si nous allons à un rayonnement infrarouge de plus grande longueur d'onde, nous plongeons dans le spectre d'émission thermique. C'est-à-dire, dans la zone de rayonnement émise par un corps par la simple présence à une température déterminée. Par conséquent, la mesure d'une émission thermique peut être ajustée à une température spécifique de l'atmosphère et donc à une hauteur.

On sait ainsi que l'émission de 1,1 µm de longueur d'onde provient de la surface ou que le rayonnement de 3,80 µm correspond aux nuages supérieurs. La distribution spatiale des nuages que nous voyons dans les images, au lieu d'indiquer l'émission directe des nuages, peut indiquer les nuages qui deviennent source d'opacité. Dans le cas d'un rayonnement de 1,74 µm, par exemple, l'émission a son origine dans la partie inférieure de l'atmosphère, mais dans l'ascension il rencontre les nuages situés à 45 km et est partiellement absorbé. Autrement dit, les nuages agissent comme des filtres et chacun d'eux rend difficile la quantité de rayonnement.

Vortex polaire sud

Si les longueurs d'onde appropriées sont choisies pour l'observation de Vénus, les images montrent différentes structures de nuages. Les vortex sont des structures complexes des vents nuageux qui tournent rapidement autour d'un centre. Les tourbillons d'eau et les ouragans sont un exemple des violents de la Terre, mais aussi des violons polaires de l'Arctique et de l'Antarctique, cyclones qui tournent autour des pôles. De nombreuses planètes du Système Solaire ont des violences polaires. Certains ont une forme rare, mais le violon du pôle sud de Vénus est le plus polyvalent de tous.

Figure . Le vortex polaire sud de Vénus a des centaines de visages qui modifient sa forme jour après jour. Les panneaux supérieurs de cette image montrent les nuages à 65 km et inférieurs à 45 km. Source : ESA.

Lors de sa première tournée sur la planète, le vaisseau spatial Venus Express a constaté qu'il existait un vortex géant sous la forme de "double œil" au pôle Sud. Depuis lors, les images infrarouges haute résolution de l'outil VIRTIS ont montré que cette structure a parfois une forme dipolaire et parfois plus arrondie, bien qu'elle ait généralement une forme de transition entre les deux configurations.

En général, bien que dans quelques jours, il saute d'une structure à l'autre, certains d'entre eux sont stables pendant plusieurs jours. Dans ces cas, si on considère que les nuages sont des traceurs passifs qui sont entraînés par le vent, on peut mesurer la vitesse du vent. Ainsi, on a observé que la violence est éloignée du pôle Sud de la planète et qu'elle se déplace autour d'elle de manière imprévisible. Ce mouvement est du même sens et vitesse que l'atmosphère. Par conséquent, bien qu'il s'agisse de petits mouvements qui détruisent et régénèrent constamment la structure, dans son ensemble la violence se déplace avec l'atmosphère.

Le seul motif permanent est la structure annulaire qui entoure le vortex et qui est généralement à environ 15 ºC en dessous de la zone. La violence et la persistance des anneaux peuvent indiquer une relation dynamique entre les deux structures, mais on ne sait pas encore ce qui peut être.

La dynamique de la violence peut être liée à la superrotation du reste de l'atmosphère. Ou peut-être pas. Il est possible que plus de mille volcans de la planète participent au processus de formation des nuages en raison d'une certaine influence des nouvelles particules qui émettent à l'atmosphère. Ou peut-être pas. La seule chose qui est claire est que Vénus est une planète pleine de mystère. Par conséquent, il n'est pas surprenant la curiosité actuelle par l'astre qui s'est appelé "notre planète jumeau".

Références