Une simulation offre une nouvelle explication concernant la formation de la tempête hexagonale de Saturne

tempete saturne
| NASA

L’hexagone de Saturne, découvert en 1981, est peut-être la caractéristique la plus célèbre de la géante gazeuse. Il s’agit d’une tempête au schéma nuageux hexagonal située au-dessus du pôle Nord de Saturne. Malgré un nouveau survol par la sonde Cassini-Huygens en 2006, les astrophysiciens en savent encore relativement peu sur la structure et la formation de cette tempête hexagonale. Récemment, deux planétologues de l’université Harvard ont proposé, grâce à un modèle 3D simulé sur ordinateur, une nouvelle hypothèse basée sur des phénomènes convectifs profonds pour expliquer la dynamique de cette étonnante tempête. 

Une tempête turbulente en forme d’hexagone fait rage près du pôle Nord de Saturne depuis au moins quatre décennies ; elle a été découverte pour la première fois en 1981 lors de la mission Voyager. Cependant, même avec des données rapportées par la sonde Cassini, les détails sur l’hexagone de Saturne sont rares.

Un nouveau modèle atmosphérique, simulé en laboratoire, suggère que la tempête s’étend très profondément, potentiellement à des milliers de kilomètres. Cette découverte pourrait aider à expliquer pourquoi la tempête est restée une caractéristique relativement stable depuis sa découverte. L’étude a été publiée dans la revue PNAS.

Les hypothèses actuelles concernant la dynamique de la tempête hexagonale

Dans le passé, les observations et les expériences de laboratoire ont permis de proposer deux hypothèses principales pour expliquer la tempête hexagonale de Saturne. D’une part, elle aurait pu se former à partir de jets peu profonds et alternés dans l’atmosphère de la géante gazeuse, à des centaines de kilomètres de profondeur, où la pression se situe à environ 10 bars et où le gaz est plus turbulent.

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D’un autre côté, elle pourrait être plus profondément enracinée, provenant de jets zonaux s’étendant sur des milliers de kilomètres vers le bas, où la pression est des dizaines de milliers de fois plus importante et où la rotation et la topographie de la planète pourraient déclencher cette turbulence.

En fait, juste avant que Cassini ne plonge définitivement dans l’atmosphère de Saturne, les planétologues ont découvert que les jets zonaux de Saturne conservent leur force jusqu’à des altitudes où la pression est de 100’000 bars ou plus. Simulant ce qui arrive aux convections turbulentes profondes dans une coquille sphérique rotative, les chercheurs de l’université Harvard pensent avoir une explication plausible pour expliquer la dynamique de l’hexagone de Saturne.

Des convections profondes en rotation pour expliquer la formation de l’hexagone polaire

Leur modèle 3D montre que la convection thermique profonde dans les couches externes des géantes gazeuses peut donner lieu spontanément à des cyclones polaires géants, à des flux zonaux alternatifs intenses et à un jet à haute latitude vers l’est. De plus, ces jets zonaux sont à la fois qualitativement et quantitativement similaires à ce qui a été observé sur Saturne. « L’analyse de la simulation suggère que des turbulences auto-organisées sous forme de tourbillons géants pincent le jet vers l’est, générant des formes polygonales. Nous soutenons qu’un mécanisme similaire est responsable du schéma d’écoulement hexagonal de Saturne », écrivent les chercheurs.

atmosphere saturne
Animation montrant l’évolution temporelle des flux atmosphériques de Saturne centrés sur le pôle Nord. Crédits : Rakesh K. Yadav et Jeremy Bloxham

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Le modèle de l’équipe ne capture pas tous les aspects de l’atmosphère de Saturne — il n’incorpore que le dixième de l’extérieur du rayon de la planète — et leurs jets polaires forment des triangles au lieu d’hexagones. Les auteurs sont toutefois convaincus que cette situation simplifiée peut nous aider à comprendre certaines des caractéristiques vues sur Saturne.

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niveaux atmospheriques
Niveaux atmosphériques centrés sur le pôle Nord de Saturne issus de la simulation effectuée par les auteurs. De A vers D, la profondeur atmosphérique diminue. Crédits : Rakesh K. Yadav et Jeremy Bloxham

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Dans leurs simulations, un grand cyclone est apparu centré sur le pôle nord, tandis que plusieurs cyclones plus petits ont rejoint un puissant jet vers l’est légèrement au nord de l’équateur. Alors que ce cyclone central était suffisamment fort pour surmonter la turbulence du gaz près de la surface, les tourbillons environnants étaient masqués par toute cette volatilité à des niveaux moins profonds, les faisant ressembler davantage à des jets polygonaux qu’à des tornades.

« Un scénario similaire peut être imaginé pour Saturne, où la forme hexagonale du jet est soutenue par six grands tourbillons adjacents, qui sont cachés par la convection plus chaotique dans les couches moins profondes ». C’est peut-être la raison pour laquelle certains autres modèles et observations indiquent une présence de jets moins profonds dans certaines zones de l’hexagone de Saturne.

Sources : PNAS

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