Le Système Solaire : les planètes géantes et les mondes glacés Alain Doressoundiram

Les planètes géantes : Jupiter R (1 bar) = 71490 km D=5.2 UA Période orbitale = 11.9 ans Masse = 318 Terre Température au niveau de pression de 1 bar = -106°C Pesanteur = 24 (Terre=10) Structure en bandes Nuages blancs et ocres

Saturne R (1 bar) = 60700 km D=9.5 UA Période orbitale = 29.5 ans Masse = 95 Terre Température au niveau de pression de 1 bar = -135°C Pesanteur = 10 (Terre=10) Bandes Aplatie (10 %) !! Peu dense (0.69!!)

Uranus R (1 bar) = 25560 km D=19.2 UA Période orbitale = 84 ans Masse = 14.5 Terre Température au niveau de pression de 1 bar = -194°C Pesanteur = 8 (Terre=10) Peu de nuages , mais…

Neptune R (1 bar) = 24760 km D=30.1 UA Période orbitale = 165 ans Masse = 17.2 Terre Température au niveau de pression de 1 bar = -203°C Pesanteur = 11 (Terre=10) Nuages sombres et blancs, variables

températures et nuages (degrés Celsius) H20 condense Couleurs, températures et nuages NH4SH condense -100 NH3 condense Grâce aux données Voyager, on a des images très précises des couches nuageuses. En se promenant de Jupiter à Neptune en passant par Saturne et Uranus, ce qui frappe, c’est l’extraordinaire diversité des 4 disques planétaires : J: brun-rouge, structure bande/zone très marquée S: jaune pale, même structure que J, mais très atténuée U: uniformément verdâtre N: bleu profond, rehaussé de cirrus blancs de CH4. Explication : condensation des molécules multiples : NH3, H2S, CH4, PH3 (sur Terre, une seule H2O) J: nuages de NH3(blanc) et dérivées de S et P (NH4SH(marron), sulfure d’ammonium) S: nuages de NH3 plus abondant et nuages de NH4SH plus enfouies car S plus froid que J U et N: CH4 gazeux plus abondant => passant du vert au bleu profond à mesure que la quantité de CH4 augmente. CH4 condense -200 Couleur d’Uranus et Neptune: liée à l’abondance de méthane 1 2 3 Distance au Soleil (milliards de km) 4 5

Les quatre planetes geantes Caractéristiques propres à cette classe (taille, densité, rotation…) 2 sous-groupes : Jupiter et Saturne, Uranus et Neptune J et S : énorme atmosphère: composition principale (H2 et He) qui rappelle celle de la nébuleuse primitive NB: vitesse thermique de H2 = 1-3 km/s U et N : 60 à 70% masse contenue dans le coeur solide planète Distance au Soleil (UA) Masse (Terre) Rayon (Terre) Densité Rotation propre Vitesse de libération Composition Jupiter 5,20 318 11,2 1,33 9h50m 60 km/s H2,He en majorité 9,55 Saturne 95 9,45 0,69 10h14m 35 km/s H2,He en majorité Uranus 19,22 14 4,01 1,32 17h14m 21 km/s Glaces et roches, H2, He Neptune 30,11 17 3,88 1,64 16h07m 24 km/s Glaces et roches, H2, He

Composition atmosphérique des planetes geantes Hydrogène, helium Atmosphère sous les nuages CH4, NH3, H2O, H2S: Equilibre thermochimique du carbone favorise CH4 par rapport à CO Atmosphère au dessus des nuages Hydrocarbures produits par la Photochimie du méthane: CH4 + photon  CH3 + H CH3+CH3  C2H6 etc… Source externe d’oxygène et d’eau

Dynamique de l’atmosphère jovienne Rotation rapide => dynamique => structure en bande Rotation rapide (J: 10h, 12km/s à l’équateur). donne la structure en bandes et zones de l’atmosphère sur Jupiter. Mouvements convectifs avec les zones claires (ascendants) et ceintures sombres (descendants). Beaucoup de structures dynamiques à plus petite échelle et de durée de vie variable.

La famille « Tache Rouge » s’aggrandit The time series shows the passage of the "Red Spot Jr." in a band of clouds below (south) of the Great Red Spot (GRS). "Red Spot Jr." first appeared on Jupiter in early 2006 when a previously white storm turned red. This is the second time, since turning red, it has skirted past its big brother apparently unscathed. But this is not the fate of "baby red spot," which is in the same latitudinal band as the GRS. This new red spot first appeared earlier this year. The baby red spot gets ever closer to the GRS in this picture sequence until it is caught up in the anticyclonic spin of the GRS. In the final image the baby spot is deformed and pale in color and has been spun to the right (east) of the GRS. (Amateur astronomers' observations confirm that this is the baby spot that migrated around the GRS.) The prediction is that the baby spot will now get pulled back into the GRS "Cuisinart" and disappear for good. This is one possible mechanism that has powered and sustained the GRS for at least 150 years. These three natural-color Jupiter images were made from data acquired on May 15, June 28, and July 8, 2008, by the Wide Field Planetary Camera 2 (WFPC2). Each one covers 58 degrees of Jovian latitude and 70 degrees of longitude (centered on 5 degrees South latitude and 110, 121, and 121 degrees West longitude, respectively).

Météorologie Des vents violents, qui décroissent avec la latitude Jupiter: vents forts même en profondeur (175 m/s à 20 bar!)

Orages joviens au clair de Io Jovian lightning and moonlit clouds. These two images, taken 75 minutes apart, show lightning storms on the night side of Jupiter along with clouds dimly lit by moonlight from Io, Jupiter's closest moon. The images were taken in visible light and are displayed in shades of red. The images used an exposure time of about one minute, and were taken when the spacecraft was on the opposite side of Jupiter from the Earth and Sun. Bright storms are present at two latitudes in the left image, and at three latitudes in the right image. Each storm was made visible by multiple lightning strikes during the exposure. Other Galileo images were deliberately scanned from east to west in order to separate individual flashes. The images show that Jovian and terrestrial lightning storms have similar flash rates, but that Jovian lightning strikes are a few orders of magnitude brighter in visible light. The moonlight from Io allows the lightning storms to be correlated with visible cloud features. The latitude bands where the storms are seen seem to coincide with the 'disturbed regions' in daylight images, where short-lived chaotic motions push clouds to high altitudes, much like thunderstorms on Earth. The storms in these images are roughly one to two thousand kilometers across, while individual flashes appear hundreds of kilometer across. The lightning probably originates from the deep water cloud layer and illuminates a large region of the visible ammonia cloud layer from 100 kilometers below it.

Energie interne Origine: Jupiter Saturne Uranus Neptune Température à l’éq.(K) 110 82 58 48 Température effective (K) 124 95 59 70 Flux émis/flux absorbé 1.67 1.78 1.06 2.52 NB: * Température à l’équilibre calculée à partir de Flux solaire reçu – Flux solaire réfléchi vers l’espace * Température effective calculée à partir du flux planétaire réellement mesuré Les planètes géantes émettent plus d’énergie qu’elles n’en reçoivent du Soleil !! Origine: Refroidissement depuis la contraction initiale Chute de l’hélium Conséquences: Maintien d’une météorologie active en profondeur (vents horizontaux, convection verticale)

Structure interne Selon les modèles formation par accrétion de condensables puis attraction de la nébuleuse environnante Phase de contraction Structure interne des planètes géantes Selon les modèles, les planètes géantes se sont formées autour d’un noyau de roches et de glaces, devenu suffisamment massif pour accréter la nébuleuse environnante. S’en est suivi une phase de contraction, avec une augmentation considérable de la t°. Ce qui entraîne une évaporation des glaces et différentiation. Dans ces conditions extrêmes, quelle pourrait être l’état de la matière à l’intérieur? Bien entendu, on n’a aucun moyen de mesure directe des conditions de pression et de température qui y règnent. Par contre, à partir d’observables indirectes (masse, densité, taille,…), on peut se faire une idée de se qui se passe : Description des shémas. Enveloppe externe : hydrogène moléculaire puis métallique (J. et S.) Présence au cœur d’un mélange de roches et de glace

Les satellites des planètes géantes Terre Vénus Mars Ganymède Titan Mercure Callisto Io lune Europe Triton Pluton

Satellites Galiléens Age de la surface Distance à Jupiter CE que l’on avait avant Galileo, avec les images de Voyager. Avec Galileo, la resolution a considerablement augmenté (20km). Cette première ligne offre une vue globabe Des satellites galiléens, avec les bonnes tailles relatives.Ces vues montrent comment les surfaces ont été affectées, à l’échelle globale By soit des changements tectoniques ou volcaniques (Io et Europa) soit par l’apport de l’environnement extérieur (Callisto et Ganymède). Ligne du milieu : résolution jusqu’à 10x meilleure. Permet l’étude de caractéristiques régionales comme les calderas volcaniques sur Io (points noirs), des failles interminables sur Europa, des sillons brillants sur Ganymède, et des énormes bassins d’impacts sur Callisto. La derniere rangée d’images offre ce que l’on peut avoir de mieux en terme de finesse d’image (jusqu’à 20m de résolution), et qui sont utilisés pour étudier la nature et l’origine physique des structures individuelles de la surface, comme par exemple, les cheminées individuelles de Io à partir desquelles sortent les coulées de lave, les failles et sillons qui sont omniprésent sur Europa, le terrain fracturé et déplacé sur Ganymède, ou alors les cratères très érodés sur Callisto. Age de la surface Distance à Jupiter Densité diminue

Les surfaces glacées Europe Ganymède Callisto Composition des surfaces : mélange de glace d’eau et de roches Observation d’une activité tectonique et/ou volcanique sur Europe et Ganymède Quelle source d’énergie?

Un océan sous la glace? Europe (comme les autres satellites galiléens) est différencié Sous la surface : de la glace molle ou de l ’eau liquide Europa présente une surface balayée et balafrée de failles et de rides. Ces failles ont littéralement cassé la croûte d’Europe à la manière de la tectonique des plaques sur Terre, générant ainsi des plaques (~dizaines de km) + ou – indépendantes. Les failles sont aujourd’hui + ou – comblées. Et certaines plaques ont migré ou pivoté (comme ici) ou encore ont été déformées, comprimées comme les continents sur Terre. On soupçonne aujourd’hui que Europe est géologiquement actif et certaines théories prédisent une structure interne avec un océan d’eau liquide sous la surface. On prétend même que l’existence de l’eau liquide aurait pu favoriser l’émergence sinon d’organismes vivants, du moins d’éléments pré biotiques (voir schémas). C’est pourquoi Europe attise un immense intérêt des scientifique et des agences spatiales.

Io Io est l’objet le + volcanique du SS. + de 300 volcans en activité observés par Galileo. L’activité volcanique se manifeste par l ’émission permanente de laves, de scories et de gaz condensées (principalement S02 et S2) En tout point de la surface, il se dépose en moyenne 1cm de matériaux frais par an, cad ~10 km en 1 million d ’années, ce qui est remarquable! Pas étonnant qu’aucun cratère d’impact n’ait pu être identifié, et ce même dans les images les + résolus. Une situation À l’opposée de la Lune ou Callisto qui sont des objets complètement inactifs depuis des milliards d’années et profondément marqués par le bombardement météoritique. Surface de Io se caractérise par un taux de regénération très élevé et par un âge moyen d’un MA seulement. Par comparaison, le plancher des océans (seule partie véritablement recyclée) s’est formé en moyenne il y a 200 MA

Io est l’objet le plus volcanique du système solaire Io, la volcanique Io est l’objet le plus volcanique du système solaire Bouleversements intervenus en 3 ans à la suite de l’éruption explosive du volcan Pillan. A noter les dépôts de scories sombres, puis de particules de soufre jaune. Avril 97 Septembre 97 Juillet 99 Composition de la surface et du volcanisme : soufre et silicate Plusieurs centaines de volcans actifs à la surface Quelle source d’énergie? Production d’une atmosphère ténue (1 nanobar), hétérogène, de SO2, S2 et NaCl

Les panaches volcaniques Ra éruption volcanique sur le limbe. Image en fausse couleur Le panache s’élève a plus de 140 km d’altitude (aidé en cela par la faible gravité de Io) Au dessus de Pillan Patera (dieu sud américain du feu, tonnerre et volcan) Prometheus

Volcanisme explosif (Tvashtar) Observation d’une fontaine de lave (SO2) Aucun cratère d’impact quelle que soit la résolution des images Tvashtar Catena : l’image de l’éruption la plus spectaculaire observé par Galileo. Un rideau de feu émane d’une fracture de 25 km de long et s’élevant sur 1 km. De la lave (SO2) à haute température qui s’écoule de fissures. La lave était suffisamment chaude (1000-1600°C) que sa brillance a sature le détecteur de Galileo (image en N&B) Noter le plateau très découpé sur la droite causé par l’érosion liquide du SO2. Le SO2 gèle quasi instantanément à la surface dans le vide de Io. 2ème image : éruption volcanique sur le limbe. Image en fausse couleur Le panache s’élève a plus de 140 km d’altitude (aidé en cela par la faible gravité de Io) Au dessus de Pillan Patera (dieu sud américain du feu, tonnerre et volcan)

Effet du volcanisme explosif à grande échelle: Tvashtar 1999 2000

Diversité des couleurs sur Io Le gaz émis par le volcanisme : à base de S2 Condense à la surface sous forme de S3 : couleur rouge S3 se transforme en S8 : couleur jaune

Source d’énergie: effet de marée La dissipation de l’énergie des marées : chauffage de l’intérieur des satellites Mais …. les satellites sont bloqués en rotation: toujours le même hémisphère vers Jupiter C’est l’excentricité des orbites qui apporte l’énergie L’excentricité diminue en raison des forces de marée Mais les résonances entre les satellites excitent leur excentricité (Io par Europe; Europe par Ganymède…)

Le système saturnien Mimas

Titan Seul satellite à posséder une atmosphère épaisse (1,5 bar) 90% N2, CH4, hydrocarbures (éthane…), nitriles (HCN, CH3CN…) Photochimie couplée azote-méthane Origine de l’azote? NH3 primordial? Brumes stratosphériques Surface hétérogène Reservoir de méthane : lacs? Nuages

L ’atmosphère de Titan Structure atmosphère similaire a la Terre avec une troposphère, stratosphère et mesosphère Les UV photodissocient le CH4. Formation d’ethane et derives et couche d’aerosols Chauffage important par la brume d’aerosols et le methane, d’ou le fort gradient de temperature dans la stratosphère Tropopause: nuage de CH4 CH4 joue le role de H2O sur Terre

La surface de Titan Comment la voir? Comment la voir?

Objectif Titan 14 janvier 2005: atterrissage de la sonde Huygens

Les nuages de Titan Pôle Sud Latitudes moyennes Sud (CH4) (CH4) Hautes latitudes Nord (C2H6)

La surface de Titan vue par Huygens

Sources et puits de méthane sur Titan Temps de vie du methane= 20 millions d’années peutes Le methane se dissocie rapidement Donc il faut trouver une source de CH4

Triton: un monde glacé T=38 K Atmosphère, p= 14 microbars Dynamique! (geysers, stries) Réchauffement en cours? Un objet capturé ? Triton, le satellite le plus froid du Système Solaire. T=-235°C

Jupiter Les anneaux Saturne Uranus Neptune

Les anneaux de Saturne 270000 km d’extension et ~10m d’épaisseur locale! Présence de « trous » qui s’expliquent par le jeu des résonances orbitales avec les satellites Division de Cassini : résonance 2:1 avec Mimas

Les anneaux : origine Les quatre planètes géantes possèdent des anneaux Application de la troisième loi de Kepler : Les anneaux ne peuvent exister sous forme d’un disque continu Particules rocheuses ou glacées du millimètre au mètre Origine: Limite de Roche : distance à l’intérieur de laquelle une planète brise les gros satellites par effet de marée Erosion de satellites et météorites