Un modèle atmosphérique d’un niveau de détail inédit de Jupiter suggère que ses couches de nuage abriteraient environ une fois et demie plus d’oxygène que le Soleil n’en contient. Combinant la chimie et l’hydrodynamique en un seul modèle, les résultats des simulations suggèrent également que la diffusion des molécules dans l’atmosphère est plus lente que ce que l’on supposait jusqu’ici. Ces données pourraient apporter de nouveaux indices sur la manière dont la géante gazeuse et les autres planètes du système solaire se sont formées.
Établir la composition des planètes est essentiel à la compréhension de leurs mécanismes de formation. En particulier, l’abondance du carbone et de l’oxygène constituerait un indicateur de la région du disque protoplanétaire au niveau duquel elles se sont formées, ainsi que de leur évolution ultérieure. La mesure des teneurs en molécules contenant des atomes d’oxygène telles que l’eau, le méthane et l’ammoniac constitue ainsi l’un des principaux éléments de caractérisation des planètes.
La mesure des molécules oxygénées et la caractérisation chimique de l’atmosphère de Jupiter constituent depuis plusieurs décennies un axe de recherche majeur, compte tenu du rôle de la planète dans la formation du Système solaire. Cependant, la détermination de l’abondance d’oxygène dans son atmosphère profonde constitue un défi, car l’eau, la principale espèce oxygénée présente, subit une condensation et des processus hydrodynamiques complexes, ce qui entrave la précision des mesures à travers les couches atmosphériques.
D’autre part, si ses nuages contiennent, à l’instar de ceux de la Terre, de l’eau, ils sont beaucoup plus denses et forment des couches si épaisses qu’aucune sonde spatiale n’a encore été capable d’effectuer des mesures directes des couches profondes. Le module de descente atmosphérique de la mission Galileo de la NASA a perdu contact avec la Terre lors de sa tentative de descente dans l’atmosphère en 2003.
La sonde Juno explore depuis 2016 l’atmosphère de la géante gazeuse depuis son orbite, collectant des données à une distance de sécurité. Les mesures de Juno ont permis d’obtenir des informations sur la composition de sa haute atmosphère, indiquant par exemple la présence d’ammoniac, de méthane, d’hydrosulfure d’ammonium, d’eau et de monoxyde de carbone. Ces données ont ensuite été utilisées pour élaborer des modèles de sa basse atmosphère.
Les modèles divergent cependant sur certains points, notamment sur la quantité d’eau et donc d’oxygène présente dans l’atmosphère de la planète. Certains indiquent que l’abondance en oxygène y est inférieure à celle du Soleil, tandis que d’autres suggèrent plutôt l’inverse. La nouvelle étude menée par l’Université de Chicago et le Jet Propulsion Laboratory de la NASA propose d’apporter de nouveaux éléments au débat en développant un modèle à une résolution inédite sur la composition atmosphérique de Jupiter.
Des tempêtes gigantesques tourbillonnent à la surface de Jupiter. Jusqu’à présent, ces tempêtes empêchaient d’observer ce qui se cache en dessous, mais une nouvelle simulation menée par un scientifique de l’Université de Chicago apporte un éclairage nouveau sur notre compréhension. © NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS, traitement d’image par Kevin M. GillUn modèle intégrant deux aspects clés
La chimie de l’atmosphère de Jupiter est d’une grande complexité et sa compréhension nécessite la prise en compte de nombreux facteurs. Les molécules y circulent en effet depuis la basse atmosphère, où la pression et les températures sont extrêmement élevées, jusqu’aux couches supérieures plus froides. Ce passage d’un extrême à l’autre induit un changement d’état des molécules et la création de nombreuses autres molécules par le biais de des milliers de réactions chimiques différentes.
Si les modèles précédents tenaient compte de cette complexité chimique, ils manquaient généralement de considérer le comportement des nuages et des gouttelettes d’eau que ces derniers contiennent. Les modèles hydrodynamiques, quant à eux, ne tenaient pas suffisamment compte de la chimie.
« La chimie est importante, mais elle ne prend pas en compte les gouttelettes d’eau ni le comportement des nuages. L’hydrodynamique seule simplifie beaucoup trop la chimie. Il est donc important de les combiner », explique, dans un article de blog de l’Université de Chicago, Jeehyun Yang, chercheuse postdoctorale à l’université et auteure principale de l’étude.
Pour améliorer la précision des modélisations, Yang et ses collègues ont intégré pour la première fois à la fois la chimie et l’hydrodynamique dans un modèle unique. « Nous utilisons un modèle hydrodynamique 2D pour simuler la microphysique atmosphérique et le transport vertical, ainsi qu’un générateur de réseaux chimiques automatisé, dépendant de la pression et de la température, afin de capturer la cinétique thermochimique complexe dans un large éventail de conditions », écrivent-ils dans leur étude publiée le mois dernier dans The Planetary Science Journal.
Une diffusion de molécules plus lente qu’on le pensait ?
Les résultats du modèle indiquent que l’atmosphère de Jupiter contiendrait près d’une fois et demie plus d’oxygène que le Soleil. Si elle est confirmée, la connaissance de cette valeur constituerait un pas de plus vers la compréhension de la manière dont le Système solaire s’est formé.
Les analyses de l’équipe suggèrent également que les molécules dans l’atmosphère de la planète géante circulent à travers certaines couches beaucoup plus lentement qu’on le supposait initialement. « Notre modèle suggère que la diffusion serait 35 à 40 fois plus lente que ce que l’on supposait jusqu’à présent », indique Yang.
Cela signifierait qu’il faudrait plusieurs semaines à une seule molécule pour traverser une couche donnée de l’atmosphère, au lieu des quelques heures précédemment estimées. « Cela montre bien à quel point nous avons encore beaucoup à apprendre sur les planètes, même au sein de notre propre système solaire », conclut l’experte.