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

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1 Le Système Solaire : les planètes géantes et les mondes glacés Alain Doressoundiram 1

2 Les planètes géantes : Jupiter R (1 bar) = 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 2

3 Saturne R (1 bar) = 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!!) 3

4 Uranus R (1 bar) = 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 4

5 Neptune R (1 bar) = 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 5

6 H 20 condense NH4SH condense NH3 condense CH4 condense Température (degrés Celsius) 0 Couleurs, températures et nuages Couleur d Uranus et Neptune: liée à l abondance de méthane 0 1 Distance au Soleil (milliards de km)

7 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 Masse au Soleil (Terre) (UA) Rayon (Terre) Densité Rotation propre Vitesse de libération Composition H2,He en majorité Jupiter 5, ,2 1,33 9h50m 60 km/s Saturne 9, ,45 0,69 10h14m 35 km/s H2,He en majorité Uranus 19, ,01 1,32 17h14m 21 km/s Glaces et roches, H2, He Neptune 30,11 1,64 16h07m 24 km/s Glaces et roches, H2, He ,88

8 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 8

9 Dynamique de l atmosphère jovienne 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. 9

10 La famille «Tache Rouge» s aggrandit 10

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

12 Orages joviens au clair de Io 12

13 Energie interne Température à l éq.(k) Température effective (K) Flux émis/flux absorbé Jupiter Saturne Uranus Neptune 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 Origine: Refroidissement depuis la contraction initiale Chute de l hélium L es p lanèt es géant es émet t ent p lus d éner gie qu elles n en r eç oivent d u S oleil!! Conséquences: Maintien d une météorologie active en profondeur (vents horizontaux, convection verticale) 13

14 Structure interne Selon les modèles formation par accrétion de condensables puis attraction de la nébuleuse environnante Phase de contraction Enveloppe externe : hydrogène moléculaire puis métallique (J. et S.) Présence au cœur d un mélange de roches et de glace 14

15 Les satellites des planètes géantes Terre Vénus Mars Ganymède Titan Mercure Callisto Io lune Europe Triton Pluton 15

16 Satellites Galiléens Age de la surface Distance à Jupiter Densité diminue 16

17 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? 17

18 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 18

19 Io 19

20 Io, la volcanique Io est l objet le plus volcanique du système solaire 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, 20 S2 et NaCl

21 Les panaches volcaniques Ra Prometheus 21

22 Volcanisme explosif (Tvashtar) Observation d une fontaine de lave (SO2) Aucun cratère d impact quelle que soit la résolution des images 22

23 Effet du volcanisme explosif à grande échelle: Tvashtar

24 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 24

25 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 ) 25

26 Le système saturnien Mimas 26

27 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 27

28 L atmosphère de Titan 28

29 La surface de Titan Comment la voir? Comment la voir? 29

30 Objectif Titan 14 janvier 2005: atterrissage de la sonde Huygens 30

31 Les nuages de Titan Pôle Sud (CH4) Latitudes moyennes Sud (CH4) 31 Hautes latitudes Nord (C H )

32 La surface de Titan vue par Huygens Mosa que 17-8 km : ržseau ÒfluviatileÓ 09/11/05 Altitude : 8 km Couverture : environ 20 km CNFA 32

33 Sources et puits de méthane sur Titan 33

34 Triton: un monde glacé T=38 K Atmosphère, p= 14 microbars Dynamique! (geysers, stries) Réchauffement en cours? Un objet capturé? 34

35 Jupiter Les anneaux Saturne Uranus Neptune 35

36 Les anneaux de Saturne 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 36

37 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 37