Atmosphère de Titan - Définition
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Composition
L'atmosphère de Titan est composée de 95% à 98,4 % d'azote — c'est la seule atmosphère dense riche en azote du système solaire en dehors de la Terre —, de 1,6 % à 5 % de méthane, et de traces d'autres gaz comme des hydrocarbures (dont l'éthane, le diacétylène, le méthylacétylène, l'acétylène, le propane, le cyanoacétylène et le cyanure d'hydrogène), du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, du cyanogène, de l'argon et de l'hélium.
On pense que les hydrocarbures se forment dans la haute atmosphère, provenant de réactions de dissociation du méthane par la lumière ultraviolette du soleil. Ces hydrocarbures produisent un épais smog orangé. Titan n'a aucun champ magnétique et orbite parfois en dehors de la magnétosphère de Saturne, l'exposant directement au vent solaire. Il est possible que certaines molécules soient ionisées et emportées en dehors de la haute atmosphère. En novembre 2007, des scientifiques ont découvert des anions lourds dans l'ionosphère de Titan et on pense qu'ils tombent vers les régions plus basses pour former le brouillard orange qui obscurcit la surface du satellite. Leur structure n'est pas connue, mais il pourrait s'agir de tholins, et ils pourraient former les bases de molécules plus complexes, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques. Ces résidus atmosphériques pourraient avoir formé des couches plus ou moins épaisses et ainsi recouvrir certaines parties de la surface de Titan d'une sorte de goudron. Les traces d'écoulement observées par la mission Cassini-Huygens sont bien plus sombres que le matériau sur lequel elles serpentent. Il est probable qu'elles soient recouvertes de tholins amenés par les pluies d'hydrocarbures liquides qui lessivent les parties apparaissant plus claires.
Carl Sagan supposait que cette couche de tholins pourrait, grâce à l'énergie la traversant, accueillir des réactions chimiques semblables à celles connues par notre planète au début de son histoire, réactions ayant contribué à l'apparition de la vie sur Terre. D'après ces suppositions, Titan devint un des lieux d'exploration les plus intéressants du système solaire pour l'exobiologie. Toutefois la température peut être un élément ralentissant l'apparition de la vie.
Les réactions chimiques survenant dans l'atmosphère ont pour la plupart lieu à sa limite supérieure. À ce niveau, de petites molécules sont activées par le rayonnement ultraviolet du soleil ainsi que par des particules hautement énergétiques d'origine interstellaire de telle sorte que des ions réactifs se forment. Ceux-ci conduisent à la formation d'hydrocarbures aromatiques, de composés azotés complexes et de benzène. Les particules plus lourdes, nées de cette manière, descendent lentement dans des couches profondes de l'atmosphère et forment les tholins.
Découverte
L'astronome catalan Josep Comas Solá, après ses observations télescopiques, exprimait en 1908 sa supposition selon laquelle la lune était entourée par une atmosphère, puisque le minuscule disque de Titan est plus sombre en marge qu'au centre.
La présence d'une atmosphère fut découverte par Gerard P. Kuiper en 1944 par spectroscopie qui estima la pression partielle de méthane de l'ordre de 10 kPa.
Conditions climatiques
Circulation atmosphérique
La circulation atmosphérique suit la direction de la rotation de Titan, d'ouest en est. Les observations de l'atmosphère effectuées par Cassini en 2004 suggèrent que l'atmosphère tourne plus rapidement que la surface (la vitesse de rotation à l'équateur est de 12 mètres par seconde). Ce phénomène, similaire à celui connu sur Vénus, est appelé « super-rotation ».
Sur la base des mesures de la vitesse des vents par Huygens pendant sa descente, des simulations ont été effectués à l'échelle du globe de Titan. Ces dernières suggèrent que l'atmosphère autour de Titans ne comporte qu'une seule, et massive, cellule de Hadley. L'air chaud monte dans l'hémisphère sud de Titan - là ou se trouvait Huygens lors de sa descente - et retombe dans l'hémisphère nord. Cela conduit à une circulation de l'air à haute altitude allant du sud au nord, et de l'air à basse altitude du nord au sud. Si une seule cellule de Hadley existe sur Titan, dont la rotation est lente, alors la force de Coriolis doit être négligeable.
Températures
À la surface, la température de Titan est approximativement de -179 °C. À cette température la glace d'eau ne se sublime pas, créant ainsi une atmosphère ne contenant presque pas de vapeur d'eau.
Les températures varient peu de l'équateur aux pôles et du jour à la nuit. La température atteint rarement les -50 °C à midi.
Nuages et brume
Les hydrocarbures dans la haute atmosphère de Titan et dans les réactions résultent de la transformation du méthane par la lumière ultraviolette du soleil, en produisant une couche opaque de brouillard. Ce brouillard a entravé les premières tentatives d'observation de la surface de Titan, stimulant ainsi la curiosité des scientifiques.
L'atmosphère est si épais qu'il bloque la lumière du soleil qui met 8 jours terrestres à traverser le ciel de Titan. La sonde Huygens fut incapable de détecter la direction de du Soleil pendant sa descente et, bien qu'elle réussit à prendre des images de la surface, l'équipe de la sonde a décrit ce processus comme « photographier un parking recouvert d'asphalte au crépuscule ». Par conséquent, il est improbable que Saturne soit visible depuis la surface de Titan.
Les nuages, dispersés, sont remarquables dans un brouillard qui couvre presque toute l'atmosphère de Titan. Ces nuages sont composés probablement de méthane, d'éthane et d'autres composés organiques simples. Les autres composés chimiques plus complexes présent en petite quantité donnent sa couleur orange à l'atmosphère depuis l'espace.
La forme des nuages de méthane est limitée - ils sont proches de nos cumulus et stratus.
Fin 2006 un tourbillon de nuage immense était découvert par Cassini. Ce tourbillon recouvre une grande partie de la région du pôle nord, soit un diamètre d'environ 2400 kilomètres. Aucun nuage n'avait été attendu là, mais surtout aucune formation de cette grandeur et structure. Deux semaines plus tard, le tourbillon géant pouvait être observé de nouveau lors de l'approche de Titan par la sonde. Il se dissoudra seulement dans une ou deux décennies. D'après les modèles issus des explorations, sa formation a lieu à la fin d'un cycle d'environ 30 ans (un an sur Saturne). Pendant ce temps, la nébulosité du pôle Nord pourrait se déplacer au pôle sud.
Les nuages peuvent se former aussi à partir des volcans comme sur Terre.
Tourbillon de nuages sur le pôle nord. |
Saisons
Comme la Terre, Titan connaît des saisons. Chaque saison dure sept années terrestres, puisque Saturne met 30 années terrestres pour tourner autour du Soleil. L'observation de tempêtes au pôle Sud de Titan en juin 2005 (alors que cet hémisphère de Titan était en été) a permis de spéculer qu'une zone sombre pourrait être un réservoir de pluies de méthane sur Titan.
Cycle du méthane
Le méthane, à la température moyenne de Titan, se trouve à l'état gazeux, mais l'atmosphère de Titan détruit le méthane qui passe progressivement dans l'atmosphère supérieure dans un processus connu comme « cycle du méthane ». Cependant, les composés plus complexes du carbone, formés à partir du méthane sont liquides à ces températures. Ces composés retombent sous le forme de pluies et forment des lacs de quelques mètres de profondeur, qui peuvent être couverts par des blocs de glace d'ammoniac. Les lacs s'évaporent, mais aucun processus chimique ou physique (dans les conditions présentes sur Titan) n'autorise la retransformation de ces composés en méthane. La majeure partie du méthane doit donc être originaire de la surface ou des cryovolcans qui l'achemine vers l'atmosphère ou il se recondensera et retombera sous la forme de pluies de méthane, en complétant le cycle. Ceci signifie qu'il doit y avoir un renouvellement du méthane dans l'atmosphère. Huygens a aussi indiqué qu'il pleut périodiquement du méthane liquide (et pas un composé de ce dernier) sur la surface.
Ce cycle du méthane sur Titan ressemble en partie au cycle de l'eau sur Terre. Mais malgré cela, Titan est un monde peu approprié à être visité puisque le méthane est mortel pour l'homme et que la température est extrêmement basse.
Le pôle Nord connaît beaucoup de précipitations - probablement de méthane ou d'éthane - en hiver. Lors du changement de saison, le sud connaît à son tour ces pluies. Ces pluies alimentent des lacs ou des mers de méthane ou d'éthane liquide au pôle.
À l'exception de l’Ontario Lacus, tous les lacs de méthane actuellement connus et portant des noms se trouvent dans l'hémisphère nord.
Au site d'atterrissage de Huygens de l'humidité relative - pas celle de l'eau, mais du méthane - est de 50 %.
