Atmosphère d'Uranus - Définition

Introduction

Atmosphère d'Uranus
Informations générales
Épaisseur	de -300 km à 4000 km
Pression atmosphérique	1,20×105 Pa
Composition
Dihydrogène	83 %
Hélium	15 %
Méthane	1,99 %
Ammoniac	0,01 %
Éthane	0,00025 %
Acétylène	0,00001 %
Monoxyde de carbone	Traces
Sulfure d'hydrogène	Traces
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L’atmosphère d'Uranus, comme celui de Neptune, est différente des deux autres géantes gazeuses, Jupiter et Saturne. Bien que principalement composée comme elles d'hydrogène et d'hélium, elle possède une plus grande proportion de gaz volatiles tel que l'eau, l'ammoniac et le méthane. Contrairement à Jupiter et Saturne, Uranus ne possèderait pas de manteau d'hydrogène métallique ou d'enveloppe en dessous de sa haute atmosphère. À la place se trouverait une région consistant en un océan composé d'ammoniac, d'eau et de méthane, dont la transition est graduelle sans limite claire avec l'atmosphère dominé par de l'hydrogène et de l'hélium. À cause de ces différences, certains astronomes regroupent Uranus et Neptune dans leur propre catégorie, celle des géantes glacées, pour les distinguer de Jupiter et Saturne.

Bien qu'il n'y a pas de surface clairement définie sur Uranus, la partie la plus extérieure de l'enveloppe gazeuse d'Uranus est considérée comme son atmosphère. Les effets de l'atmosphère sont ressentis jusqu'à environ 300 km en dessous du niveau de 1 bar, où la pression est de 100 bar et la température de 320 K. La couronne ténue de l'atmosphère s'étend jusqu'à deux fois le rayon de la planète à partir de la surface nominale située au niveau où la pression est de 1 bar. L'atmosphère uranienne peut être divisée en trois couches : la troposphère, d'une altitude de −300 à 50 km et d'une pression de 100 à 0,1 bar ; la stratosphère, d'une altitude de 50 km à 4000 km et d'une pression allant de 0,1 à 10^–10 bar ; et la thermosphère/couronne commençant vers 4000 km d'altitude et allant jusqu'à près de 50 000 km de la surface. Il n'y a pas de mésosphère.

Structure

Troposphère

La troposphère est la partie la plus basse et la plus dense de l'atmosphère et est caractérisée par une diminution de la température avec l'altitude. La température tombe de 320 K à la base de la troposphère située à −300 km à près de 53 K à 50 km. Les températures dans la haute région de la troposphère (la tropopause) varient entre 49 et 57 K suivant la latitude, les plus basses étant atteintes à 25° de latitude sud. La troposphère détient presque toute la masse de l'atmosphère, et la tropopause est la cause de la majorité des émissions infrarouges, déterminant donc sa température effective de 59.1 ± 0.3 K.

La troposphère possèderait une structure nuageuse complexe ; des nuages d'eau sont supposés exister dans les régions où la pression est de 50 à 100 bar, des nuages d'hydrosulfure d'ammonium existeraient entre 20 et 40 bar, des nuages d'ammoniac ou de sulfure d'hydrogène se trouveraient entre 3 et 10 bar et finalement des nuages de méthane existeraient à des pressions allant de 1 à 2 bar. Bien que Voyager 2 ait directement constaté l'existence de nuages de méthane, toutes les autres couches de nuages sont spéculatives. La troposphère est la région la plus dynamique de l'atmosphère, avec de forts vents, des convections, des nuages et des variations saisonnières.

Profil des températures de l'atmosphère (troposphère et basse stratosphère) d'Uranus. Les couches de nuages sont indiquées.

Stratosphère

La couche intermédiaire de l'atmosphère uranienne est la stratosphère, où la température augmente avec l'altitude de 53 K à la tropopause jusqu'à environ 800-850 K à la base de la thermosphère. Le réchauffement de la stratosphère est causé par l'absorption des radiations UV et IR solaires par le méthane et les autres hydrocarbures, qui se forment dans cette partie de l'atmosphère en conséquence de la photolyse du méthane. Le réchauffement provenant de la thermosphère doit lui aussi être significatif. Les hydrocarbures occupent une fine couche à une altitude comprise entre 100 et 280 km soit à une pression allant de 10 à 0,1 mbar et des températures allant de 75 à 170 K. Les hydrocarbures les plus importants sont l'acétylène et l'éthane.

L'éthane et l'acétylène tendent à se condenser dans la partie la plus basse (et la plus froide) de la stratosphère, à la tropopause, en formant une couche brumeuse, qui peut être en partie responsable de l'apparence « douce » de l'atmosphère d'Uranus. La concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère est plus faible que celle des stratosphères des autres géantes gazeuses. Ceci la rend moins opaque (au-dessus de la couche brumeuse) et, par conséquent, plus froide que les autres géantes gazeuses.

Thermosphère et couronne

La partie externe de l'atmosphère d'Uranus est la thermosphère/couronne, qui a une température uniforme de 800 à 850 K. La température y est donc plus importante que dans la thermosphère de Saturne (420 K). Les sources de chaleur nécessaires pour maintenir une température si élevée ne sont pas connues, puisque ni les radiations FUV/EUV solaires ni l'activité des aurores polaires ne fournissent l'énergie nécessaire. Il semblerait qu'il n'y ait pas d'hélium dans cette région. En plus du dihydrogène, la thermosphère-couronne contient une grande proportion d'atomes d'hydrogène. Leur faible masse et la température élevée aident à expliquer pourquoi la couronne s'étend jusqu'à 50 000 km au-dessus de la planète. Cette couronne est une caractéristique unique d'Uranus. Ses effets incluent une traînée sur de petites particules orbitant autour d'Uranus, causant une réduction générale des poussières dans les anneaux d'Uranus. La thermosphère d'Uranus produit d'intenses émissions quadrupôles d'hydrogène proche des infrarouges.

Ionosphère

L'ionosphère d'Uranus se répartit dans la partie supérieure de la stratosphère et de la thermosphère. Les sources d'informations principales concernant les ions qui la constituent sont les mesures effectuées par Voyager 2 et les émissions infrarouges d'ions H₃⁺ détectées depuis des télescopes terrestres. Les observations montrent que l'ionosphère se trouve entre 2 000 et 10 000 km d'altitude. L'ionosphère d'Uranus est plus dense que celle de Saturne et Neptune, qui peut résulter de la faible concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère. L'ionosphère est principalement soutenue par les radiations d'UV solaires et sa densité dépend de l'activité solaire. Les aurores polaires ne sont pas significatives comme sur Jupiter et Saturne. La haute ionosphère (située dans la thermosphère) émet des UV, qui comme les radiations infrarouges d'H₃⁺, sont émis exclusivement depuis la face éclairée de la planète.