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Niveau : Initié

Quand on parle de météorologie, on pense à notre atmosphère, à la Terre.
Pourtant des phénomènes météorologiques existent aussi sur d'autres planètes de notre système solaire et même sur le plus grand satellite de Saturne, Titan.
Rarement abordé, nous vous proposons de lever quelque peu le voile sur cette météorologie extraterrestre.

Sur les 8 planètes que compte le système solaire (Pluton ayant été rétrogradé au statut de planète naine et ne fait donc plus partie au sens strict des planètes du système solaire), seule Mercure ne présente pas de phénomènes météorologiques; et pour cause, puisqu'il ne possède pas d'atmosphère. Les autres planètes présentent toutes des phénomènes météorologiques au sein de leur atmosphère, plus ou moins marqués, comme nous le verrons ci-dessous. Un seul satellite, Titan, le plus gros satellite de Saturne, aux dimensions proches de la planète Mercure, présente une atmosphère, avec des phénomènes météorologiques étonnants.
Nous verrons ainsi la météorologie de la planète Vénus et celle de Mars, sujet de cette première partie et dans une seconde partie, celles des planètes joviennes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) ainsi que celle de Titan.


Taille comparative des 4 planètes telluriques, de gauche à droite :
Mercure, Venus, Terre et Mars.
Seule Mercure, dépourvue d'atmosphère à l'instar de la Lune,
ne présente pas de phénomène météorologique à sa surface.

 

Venus : Une fausse jumelle de la Terre

Si on se limite à la taille de la planète, c'est vrai que Vénus pourrait passer comme une jumelle de la Terre, et, comme elle, c'est une planète dite tellurique (comme le sont aussi Mercure et Mars, c'est à dire une planète avec une surface solide et un noyau), mais les comparaisons s’arrêtent là.


Vue de Venus en lumière Ultraviolette montrant la structure en Y renversé des nuages,
nuages épais recouvrant la totalité de la surface vénusienne. 

Les différences sont surtout notables au niveau de l'atmosphère, justement, siège des phénomènes météorologiques.
Si sur Terre, la pression atmosphérique moyenne au sol est d'environ 1013 hPa (~ 1 bar), celle de Vénus est de 92 bar. La température au sol atteint 470°C. Cette valeur est la plus haute température au sol enregistrée sur une planète du système solaire. Même Mercure, pourtant plus proche du soleil, ne présente pas des températures aussi élevées à la surface. La cause ? Un puissant effet de serre, dû principalement à l'atmosphère constituée à près de 96,5% de CO2 (Le reste étant constitué principalement d'azote).

Toute la surface de la planète est masquée par d'épais nuages constitués d'acide sulfurique.
Si la rotation de la planète sur elle-même est très lente (243 jours terrestres, en sens rétrograde, contre 23h56 pour la Terre), l'atmosphère accomplit le tour de la planète en 4 jours terrestres seulement (phénomène de super-rotation).

L'atmosphère de la planète est constituée de deux parties distinctes, toutes deux étant elles-mêmes séparées en deux entités :

- La "troposphère" : constituée par la basse atmosphère, libre de nuages et la couche nuageuse, nuages qui s'étendent entre 31 et 68 km d'altitude. En comparaison, la couche nuageuse sur la Terre s'étend entre 0 et 12 km d'altitude. 

- La haute atmosphère, sans nuages, constituée de la mésosphère entre 68 et 120 km d'altitude, et de la thermosphère de 120 km à 220 km (voire jusqu'à 350 km d'altitude selon les sources.)

Si le vent au sol est négligeable (5 km/h environ), il commence à nettement s'intensifier à 10 km d'altitude pour atteindre son maximum à 65 km : à l'équateur les vents y sont de l'ordre de 500 km/h (cette vitesse étant due à la super-rotation de l'atmosphère que nous avons évoquée ci-dessus.

L'air chaud remonte au niveau de l'équateur, là où le réchauffement solaire se concentre, et afflue aux pôles. Il y a donc des cellules de Hadley, phénomène d'ailleurs analogue sur la Terre. Toutefois, ce phénomène ne se manifeste qu'en deçà de ±60° de latitude. Là, l'air commence à redescendre vers l'équateur sous les nuages. Plus au nord un autre type de circulation est observé. Il y a, au niveau des latitudes comprises entre 60° et 70°, des "cols polaires".
Des structures étranges connues sous le nom de vortex polaires ont été observées. Ce sont des tempêtes semblables à des ouragans géants (quatre fois plus grands que leurs analogues terrestres). Chacun de ces vortex a deux centres autour desquels ils tournent prenant la forme d'un "S". De tels structures sont appelés des dipôles polaires. Les vortex tournent sur une période d'environ 3 jours dans le sens de la super-rotation de l'atmosphère (source : Wikipedia).

Il pleut sur Vénus, mais ces pluies sont constituées d'acide sulfurique et n'atteignent jamais le sol. Ce phénomène de pluies qui n'atteignent pas le sol existe aussi sur Terre : les virga.

Des orages auraient été détectés par les sondes spatiales sur Vénus, provoquant des éclairs rouges, mais certains réfutent le fait que des orages soient possibles sur Vénus, vu le peu de mouvement convectifs de l'atmosphère.


Évolution de la température et de la pression en fonction de l'altitude sur Vénus.


Mars : peu de nuages mais des tempêtes de poussières impressionnantes

Mars a souvent nourri l'imaginaire des hommes et a été considéré depuis des siècles comme une planète analogue à la Terre. Il faut dire que les premières observations de la planète à partir de la Terre dès l'invention du télescope avait de quoi enthousiasmer : des variations de couleurs de la planète au gré des saisons, attribué à l'époque à la végétation, des calottes polaires variant en superficie selon la saison, comme sur notre planète.
Il n'en fallait pas plus pour considérer la planète habitée (ou au moins habitable), et les nombreux ouvrages de science-fiction, dès le XIXe siècle (la fameuse "Guerre des Mondes" de H.G. Wells), allait populariser la planète et ses "martiens".

Ce n'est qu'en 1965 lors du premier survol de la planète par une sonde spatiale (Mariner 4), que le voile fut levé sur la planète apportant aussi une profonde désillusion : les premières photos montraient une surface criblée de cratères, ressemblant plus à la Lune qu'à la Terre ! L'atmosphère apparemment sans nuages, était aussi particulièrement ténue, nettement plus ténue que ce que l'on estimait à l'époque. De plus il s'avérait que cette atmosphère était composée de 95.3% de CO2, de 2.7% d'azote et de 1.6% d'argon; l'oxygène ne représentait qu'à peine 0,13% du total et la vapeur d'eau 0.03%.

La sonde Mariner 9, premier satellite artificiel de Mars, nuança néanmoins cette vision lunaire de la planète. Une première surprise attendait la sonde lors de son arrivée en 1971 : la quasi totalité de la surface de Mars était occultée par une tempête de poussières à l'échelle planétaire. Celle-ci dura plusieurs semaines, mais une fois la tempête passée, Mars apparût enfin aux caméras de la sonde et aux instruments de mesures de celle-ci.


Mars et sa calotte polaire australe (en bas). Remarquez les nuages près des pôles
ainsi que quelques nuages orographiques près de l'équateur.

Oui, des nuages étaient bien présents ci et là même s'ils recouvraient moins de 10% de la planète. Ces nuages sont surtout présents près des zones polaires et près des volcans géants (éteints depuis longtemps) de la planète, à la façon des nuages orographiques près des montagnes terrestres.
Les nuages sont principalement composés de cristaux de glace (et parfois aussi de cristaux de dioxyde de carbone) et ne précipitent jamais, la température et la pression étant trop faibles pour permettre l’existence de l'eau liquide à la surface de la planète. Ils ressemblent quelque peu à nos cirrus terrestres.

Les nuages de cristaux de glaces sont présent surtout entre 10 et 20 km d'altitude, ceux constitués de cristaux de glace peuvent se former jusqu'à une altitude 50 km.

Sous les nuages, qui peuvent absorber jusqu'à 40% du rayonnement solaire, la température peut chuter de 10°C ce qui n'est pas sans conséquence sur le climat martien, notamment sur son régime des vents.

La pression atmosphérique martienne a pu être mesurée par les sondes envoyées au sol (la première Viking I, en juillet 1976) : la pression moyenne au sol est de 6 hPa pour une température moyenne de -63°C.

 


Evolution de la température et de la pression en fonction de l'altitude sur Mars.

Les degrés Kelvin (K) sont les degrés Celsius + 273 : 250 K = - 23°C

Lors de la mission Phoenix, sonde s'étant posée au sol proche des régions polaires, le passage de nuages dans le ciel martien a ainsi pu être filmé, comme on le voit sur l'animation ci-dessous.


Un autre phénomène étonnant a aussi pû être filmé par le Rover martien Spirit à la surface en juin 2005 : il s'agit d'un "Dust Devil" (diable de poussière) phénomène qui se rencontre aussi sur Terre, principalement en été dans les zones désertiques ou semi-désertiques surchauffées en fin d'après-midi d'été. 


Pour en revenir à l'atmosphère martienne, même si elle est particulièrement peu dense (150 fois moins que l'atmosphère terrestre), elle permet - nous l'avons vu - de générer des tempêtes de poussières.
Néanmoins, cette faible densité fait que, au contraire de Vénus, l'effet de serre du au CO2 est négligeable, voire nul.
C'est pourquoi les températures mesurées au sol sont si froides : en moyenne de -63°C seulement, elles peuvent varier grosso modo entre -135°C et -5°C.

Nous avions parlé de saisons sur la planète Mars : elles existent bel et bien, de par le fait que l'obliquité de la planète soit proche de celle de la Terre (25.19° contre 23.44° pour la Terre) et que l'excentricité de l'orbite martienne soit plus marquée que sur Terre.
Les saisons sont ainsi fortement marquées, principalement sur l'hémisphère Sud (hiver austral au moment où la planète se trouve le plus éloigné du soleil). Sur cet hémisphère, l'hiver y est long et très froid, l'été court, mais plus chaud que celui de l'hémisphère boréal.

Des variations de pression existent aussi selon les saisons et viennent du fait que la calotte polaire, constituée surtout de glace carbonique, provient de l'atmosphère elle-même : quand il y a condensation, la pression atmosphérique diminue, et inversement quand elle se sublime.

C'est vers la fin du printemps austral, quand la planète est à son périhélie (le plus proche du soleil) que les tempêtes de poussières apparaissent. Leur ampleur peut être locale, ou, exceptionnellement planétaire, comme nous l'avions signalé ci-dessus en 1971; ce fût aussi le cas en 2001.
La cause de ces tempêtes proviennent des différences thermiques observées entre le pôle et les régions avoisinantes provoquant des vents violents à l'origine du soulèvement de fines particules dans l'atmosphère. On a estimé que la poussière pouvait être soulevée de manière significative à partir de vents de l'ordre de 17 m/s; ceux-ci peuvent aller jusqu'à 30 m/s lors de grosses tempêtes de poussières.
Lors de tempêtes planétaires, ce phénomène provoque d'importantes modifications climatiques : les poussières en suspension absorbent le rayonnement solaire, réchauffant ainsi l'atmosphère et réduisant dans le même temps l'insolation au sol. Ainsi, lors de la tempête de 2001, la température atmosphérique s'est élevée de 30°C  alors que la température au sol s'est abaissée de 10°C.

Notons enfin pour terminer qu'il n’existe qu’une seule cellule de Hadley sur Mars, mais fortement marquée en altitude et en amplitude, joignant les deux hémisphères et qui s’inverse deux fois par an.

Les photos proviennent des missions spatiales de la NASA.

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