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       - Jupiter : confusion dans l'air  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    Après plusieurs années de voyage interplanétaire, la sonde Galileo a plongé en décembre dernier dans l'atmosphère de Jupiter. Les très nombreuses informations qu'elle a collectées sont aujourd'hui disponibles. Les astronomes vont de surprise en surprise.  
    En juillet 1995, six ans après son lancement par la NASA, la sonde Galileo approchait enfin de Jupiter, terme de son voyage. Le 13 juillet, tandis que l'élément principal, l'orbiteur, entrait en phase de satellisation autour de la planète, on procéda, du sol, à la séparation d'un module truffé d'instruments de mesure. Il devait, lui, plonger dans les profondeurs de l'atmosphère jovienne.  
    Ce grand plongeon eut lieu le 7 décembre, à 22 h 04 (temps universel). La descente dura un peu moins d'une heure -58 minutes et 48 secondes, exactement - après quoi la sonde, soumise à des pressions de 24 atmosphères, vit s'interrompre ses communications avec l'orbiteur. Depuis, cette petite heure de collecte s'est avérée si fructueuse qu'elle représente aujourd'hui des années de travail pour les astronomes …  
    C'est peu dire qu'ils attendaient ces données avec impatience, tant les planètes géantes, à la différence des planètes telluriques, conservent un parfum de mystère. Pour la première fois, l'atmosphère jovienne était analysée in situ et en direct. De surcroît, les informations recueillies -la plupart des astronomes n'en doutaient pas -allaient rapidement apporter des réponses à des questions qu'ils se posent depuis des décennies. Il n'en est rien. Les paradoxes sont même encore plus nombreux après ces observations. Une fois encore, la nature s'est révélée plus riche que les prévisions des spécialistes !  
    Commençons par la structure nuageuse. Les astronomes amateurs connaissent bien les nuages variables de Jupiter, ses bandes parallèles blanches ét roses, sa Grande Tache rouge.. Des études physicochimiques, effectuées avant Galileo, avaient montré que Jupiter devait posséder une structure nuageuse à plusieurs étages. L'étage le plus profond devait, comme sur Terre, être formé de cumulus d'eau, l'étage intermédiaire, d'un nuage de cristaux d'hydrosulfite d'ammonium, et l'étage supérieur, de cirrus de cristaux d'ammoniac …  
    Galileo a quelque peu démenti ces prévisions. Ce faisant, elle a ouvert la voie à un premier paradoxe. Le détecteur de nuages de la sonde, au début de sa course, a bien observé une brume ténue à l'altitude prévue du nuage de cristaux d'ammoniac. Il a aussi détecté un nuage assez mince, qui pourrait correspondre au nuage d'hydrosulfite d'ammonium, mais à une réserve près : les abondances de soufre évaluées le situeraient plus bas que prévu. Enfin, la sonde n'a rien mesuré là où l'on attendait des cumulus composés d'eau.  
    De façon générale, les mesures de Galileo révèlent une très faible abondance d'eau. Ce constat corrobore le peu d'éclairs détectés, ceux-ci étant liés aux nuages d'eau. Quant à l'explication de cette structure nuageuse, telle qu'elle nous apparaît désormais, nous n'en sommes qu'au début. Les observations au sol montrent que le module est descendu dans une région très peu nuageuse de Jupiter, ce qui pourrait expliquer la faible opacité.  
    Le second paradoxe concerne les mesures de composition. La plus curieuse concerne la très faible quantité d'oxygène, moins de dix fois l'abondance solaire dans l'eau (H20), le principal des composés oxygénés de l'atmosphère supérieure de la planète. Curieuse donnée, car s'agissant du carbone et du soufre, les valeurs sont deux à trois fois supérieures à la valeur solaire, alors que l'on attendait des valeurs similaires pour ces trois éléments. Pour le carbone, son abondance dans le méthane (CH4) est 2,9 fois l'abondance solaire. Pour le soufre, présent dans le sulfure d'hydrogène (H2S),elle est de 2,2 fois.  
    L'une des explications avancées reprend le fait remarqué plus haut. Galileo s'est enfoncée dans une région particulière de l'atmosphère jovienne. Fort peu nuageuse, cette région serait aussi extrêmement sèche, telle, si l'on peut dire, une "sorte de désert". On s'attendait cependant à ce qu'aux profondeurs de 20 bars et plus, les différences locales s'estompent. Il semble bien en effet, au vu des dernières données transmises par Galileo à ces pressions de l'ordre de 20 bars, que la quantité de H20 remonte rapidement. L'appauvrissement en eau serait donc confiné aux régions supérieures de l'atmosphère. Mais cela reste encore à démontrer.  
    Tout aussi curieuses sont les abondances de gaz rares (hélium, néon, argon, krypton, xénon). Galileo a détecté très peu de néon, et de grandes quantités des autres gaz. Là encore, on s'attendait à un comportement similaire pour tous. La question est importante car elle touche un point fondamental de la structure des planètes géantes. Ces dernières, beaucoup plus massives et éloignées du Soleil que les planètes telluriques, doivent, pense-t-on, avoir conservé intacte la composition gazeuse de la nébuleuse primitive d'où est issu le système solaire. Dès lors, l'analyse de cette composition, dans l'atmosphère jovienne, aurait pu renseigner sur la composition gazeuse du nuage primordial. Dans cette logique, les gaz rares étaient des candidats privilégiés car, fort peu réactifs, ils ne sont pas facilement piégés dans les glaces et les minéraux.  
    Les mesures fournies par Galileo dévoilent, en réalité, un grand écart par rapport à la nébuleuse primitive. Là encore, il se pourrait qu'une condensation différente de ces éléments intervienne au sein de la couche d'hydrogène métallique. Cette dernière serait donc chimiquement beaucoup plus active qu'on ne le pensait jusqu'à présent.  
    L'abondance en hélium - avec l'hydrogène, l'un des deux composants principaux de Jupiter - avait été mesurée pour la première fois par les deux sondes américaines Voyager Jet Il, en 1979. La valeur du rapport hélium /hydrogène, d'après Galileo, apparaît un peu plus grande. La mesure montre aussi une quantité d'hélium légèrement inférieure à l'abondance primitive de la nébuleuse. Ce petit écart, lié à l'histoire de Jupiter, n'est pas en soi une surprise : les données Voyager l'indiquaient déjà. Restera cependant, après rectification quantitative, à l'interpréter dans le cadre global des modèles de structure interne des planètes géantes.  
    Une autre mesure, tout à fait fondamentale, est celle du rapport deutérium/hydrogène (D/H). Produit lors du Big-Bang et détruit dans les étoiles, le deutérium est, en effet, un composé clé dans la compréhension de l'évolution de notre univers. Le rapport D/H trouvé par Galileo, est supérieur à la valeur observée dans la nébuleuse primitive, contrairement aux mesures déduites des observations Voyager. Cependant, les marges d'erreur sont encore importantes sur ce type d'élément, et il faut rester prudent dans les conclusions.  
    Venons-en aux mesures de températures. Elles sont essentielles pour comprendre la météorologie des atmosphères planétaires. Avant Galileo, ces températures ne pouvaient être mesurées qu'à distance, grâce à la spectroscopie infrarouge du rayonnement thermique planétaire. Comme on s'y attendait, le profil vertical de température, mesuré par Galileo, montre une variation avec la profondeur. La température décroît à mesure qu'on descend dans la stratosphère. Elle atteint un minimum à la limite entre la stratosphère et la troposphère. Elle croît ensuite à un rythme constant d'environ deux degrés par kilomètre. Cet accroissement est contrôlé par les mouvements de convection dans l'atmosphère, qui évacuent la chaleur interne produite dans les couches profondes de Jupiter.  
    Les mesures précises de température vont permettre d'affiner les modèles actuels de structure atmosphérique. Galileo a, en particulier, fait apparaître une courbe de température dont le profil est proche d'un profil appelé savamment "adiabatique sec", où les effets de condensation de la vapeur d'eau sont négligeables. Fait corroboré par les mesures de composition, avec peu de vapeur d'eau, et celles d'opacité nuageuse, avec peu ou pas d'opacité causée par un nuage d'eau.  
    Dans la haute atmosphère, des mesures de température ont également pu être reconstituées par Galileo de façon indirecte en calculant très précisément la trajectoire du module de descente, et en comparant ces calculs aux positions obtenues par détection du signal radio. Selon le frottement atmosphérique, qui dépend de la densité du gaz, la trajectoire est plus ou moins déviée, ce qui permet de mesurer la température à très haute altitude. Le résultat obtenu montre des températures, au-dessus de la stratosphère, de l'ordre de 1'000°C. Ces températures élevées résultent du chauffage de la haute atmosphère par des particules issues de la magnétosphère de Jupiter. Ces dernières, arrêtées par le gaz de l'atmosphère, le réchauffent. Ces mécanismes de chauffage sont encore mal connus, et les mesures obtenues permettront de nouvelles avancées dans les modèles.  
    Deux nouvelles surprises sont apparues concernant, cette fois-ci, la vitesse des vents. Cette vitesse, au point d'entrée de la sonde, est d'abord supérieure à ce qu'on pensait : 200 m/s au lieu des 103 m/s qui avaient été mesurés par Voyager, ou encore du sol, quelques semaines avant l'arrivée de Galileo. Deuxième surprise, cette vitesse n'a pas, ou très peu, varié, tout au long de la descente. La sonde est arrivée pratiquement au centre d'un "jet stream", un courant atmosphérique très violent, et très étroit. Le fait que les mesures effectuées à partir de la Terre donnent pour la vitesse de ce courant une valeur plus faible n'est pas trop surprenant. Les observations à distance ne peuvent en effet détecter que les grandes structures nuageuses. Or, elles sont entraînées par des courants à grande échelle moins rapides en moyenne que les courants locaux, sans doute très étroits.  
    La météorologie des planètes géantes n'en est encore qu'à ses tout débuts, et l'on attend beaucoup des prochaines observations à distance de l'orbiteur de Galileo. Sur des planètes comme la Terre, Vénus ou Mars, la circulation générale a pour moteur le chauffage solaire. C'est le Soleil qui, en réchauffant l'équateur plus que les pôles, induit des mouvements de convection à l'échelle planétaire. Les planètes géantes (sauf Uranus) disposent, elles, d'une source d'énergie interne, comparable au chauffage solaire. On pense que cette énergie vient pour partie de la contraction gravitationnelle du gaz, sous l'effet de sa propre masse, et pour une autre, de phénomènes dits de démixtion les composés plus lourds, tel l'hélium, se rassemblent au centre de la planète, en libérant de l'énergie gravitationnelle qui se transforme en chaleur. La grande question qui agite les spécialistes de la météorologie jovienne est donc de savoir si les mouvements à grande échelle observés sur Jupiter, avec ses bandes nuageuses parallèles tournant à des vitesses différentes selon la latitude, sont dûs au chauffage solaire, comme sur Terre, ou bien à la convection interne.  
    Les modèles sur ordinateur ne permettent pas aujourd'hui de trancher, même si l'apparition des tourbillons dans l'atmosphère de Jupiter est mieux comprise. Le fait que la vitesse des vents, mesurée par Galileo, soit restée constante jusqu'à une profondeur de 24 atmosphères, paraît éliminer une classe de modèles, qui tentaient d'expliquer les courants de Jupiter par le seul effet du chauffage solaire sur une couche atmosphérique mince. Dans ces modèles, cette couche active reposerait sur une "soupe" turbulente et bouillonnante, mais sans mouvements bien constitués à grande échelle, ce qui ne correspond pas aux observations.  
    Suite aux mesures de Galileo, ce modèle simple apparaît donc à tout le moins insuffisant, car les couches profondes sont, elles aussi, en mouvement. Cependant, et contrairement aux annonces un peu hâtives de certains scientifiques de la NASA, le principe de l'action du chauffage solaire dans les mouvements météorologiques ne peut être totalement exclu. Ces mouvements -l'hypothèse est imaginable -pourraient en effet résulter d'une compétition entre les deux sources d'énergie.  
    Pour espérer avancer dans l'interprétation des modèles, il faut maintenant attendre les nouvelles images de la planète géante, que l'orbiteur doit envoyer à partir du mois de juillet 1996. Elle nous livreront des informations inédites sur les nuages de Jupiter, grâce à une résolution spatiale jamais vue. D'ores et déjà, Jupiter nous apparaît différent, plus complexe, avec ses disparités de composition très bizarres et sa structure nuageuse apparemment éloignée de l'équilibre thermodynamique simple. Nos modèles s'avèrent incomplets, et les astronomes vont avoir encore bien du travail avant d'espérer en percer quelques secrets.  
    Gros comme mille Terres, formé pour l'essentiel d'hydrogène et d'hélium, deux gaz primordiaux, Jupiter a évolué tout au long de ses quatre milliards et demi d'années d'existence. Il n'est donc plus le reflet exact des conditions d'origine. Cependant, même si sa composition primitive a été perturbée, l'histoire de ces perturbations est riche d'enseignements sur la physique des planètes, ces objets froids de l'Univers. Une histoire d'autant plus intéressante aujourd'hui que l'on commence à détecter des géantes auprès d'autres étoiles. S'agit-il de gros Jupiter ou de naines brunes ? Avec ces découvertes, c'est en fait toute une population nouvelle d'objets composés d'hydrogène et d'hélium qui s'ouvre à l'étude, à des températures qui diffèrent selon la proximité de l'étoile.  
         
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