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Vénus, la déesse de l'Amour

Profil de l'atmosphère de Vénus. Document Pearson Education adapté par l'auteur.

L'atmosphère et les océans primordiaux (II)

L'observation la plus importante se rapporte à son atmosphère. A la différence de l'atmosphère terrestre, celle de Vénus est constamment voilée par des nuages très denses. Avec un albedo de 0.69, Vénus trahit que son atmosphère dispose d'une couche nuageuse réfléchissante très épaisse; les trois-quarts du rayonnement incident du Soleil sont rejetés dans l'espace. Un bon tiers du rayonnement est absorbé par l'atmosphère tandis que 2.5% seulement arrivent au sol, dix fois moins que sur Terre, rendant la visibilité très difficile. Lorsque l'on cherche le Soleil en regardant à travers une faible éclaircie dans l'épaisse couche nuageuse, on peut occasionnellement localiser un pâle disque rougeâtre.

Les nuages s'étalent sur une épaisseur d'environ 20 km qui débute par des brumes vers 80 km au-dessus de la surface et qui s'estompe sous forme d'aérosols vers 30 km d'altitude. En-dessous l'atmosphère devient limpide dissipant une faible lumière rougeâtre. Au sol s'établit une sorte de crépuscule permanent comme en témoigne les clichés panoramiques des sondes spatiales soviétiques réalisés en 1982. Ce n'est qu'en lumière infrarouge que la vision s'éclaircit, portant le regard à quelques kilomètres.

L'atmosphère de Vénus est constituée à 96.5% de gaz carbonique tandis que l'azote, la vapeur d'eau, l'oxygène, le monoxyde de carbone, les gaz rares et des composés à base de soufre se partagent le reste. Au niveau des pôles, vers 140 km d'altitude, la sonde Venus Express releva une température moyenne de -157°C (70° plus basse que les modèles) et une densité (masse volumique) 22% plus faible que prévu de 10-9 kg/cm3.

Vers 125 km d'altitude où Venus Express mesura localement en 2014 une température de -175°C, à hauteur du terminateur il se forme des couches d'inversion où peuvent se former des nuages de glace ou de la neige.

Formation d'ondes de gravité au-dessus de la "Fontaine d'Aphrodite". Document ESA.

Dans chaque hémisphère des dépressions atmosphériques transfèrent vers les pôles la chaleur accumulée à l'équateur, tout comme les vents alizés sur Terre. En 2016, une équipe d'astronomes dirigée par Jean-Loup Bertaux du laboratoire LATMOS du CNRS a découvert des ondes de gravité et des ondes planétaires se propageant dans l'atmosphère de Vénus. De quoi s'agit-il ?

Comme on le voit sur le schéma explicatif à gauche, comme une onde se propage horizontalement dans l'eau, les ondes de gravité se propagent verticalement dans l'air à partir des basses couches et deviennent plus intenses avec l'altitude du fait que la pression atmosphérique (la densité) diminue. Ces ondes interfèrent avec les conditions météos en générant des turbulences dont l'importance dépend de la topographie des reliefs.

Ainsi, en analysant les données météos recueillies par la sonde spatiale Venus Express entre 2006 et 2012, Bertraux et son équipe ont découvert une zone nuageuse en particulier située près de l'équateur qui accumule plus de vaeur d'eau que la région avoisinante. Cette zone "humide" se trouve juste au-dessus de la chaîne de montagnes d'Aphrodite Terra culminant à 4500 m d'altitude. L'air très humide étant forcé de s'élever sur le versant de cette chaîne de montagnes, les chercheurs ont appelé cet endroit la "Fontaine d'Aphrodite". Cette "fontaine" d'air humide s'élève en altitude où elle est finalement freinée par des courants d'altitude très rapides. C'est ainsi que la force des vents au-dessus d'Aphrodite Terra est toujours plus lente (18%) que partout ailleurs.

Ensuite, étant solidaire des nuages, cet air humide retombe grâce aux mouvements descendants et tourbillonnants de la colonne nuageuse qui se déplace en même temps d'est en ouest à travers toute la planète.

De plus, comme le montre les photo sci-dessous prises en UV, certains nuages sont plus sombres que d'autres ce qui signifie qu'ils absorbent les UV. Autrement dit, les colonnes nuageuses de la "Fontaine d'Aphrodite" réfléchissent moins d'ultraviolet que les autres régions. Les chercheurs ont également mesuré la vitesse de ces nuages sombres. Il s'avère que cette absorption du rayonnement UV s'explique par l'existence de ces ondes de gravité qui transportent l'air humide et la matière sombre du sommet de la couche nuageuse jusqu'en surfrace en créant cette "fontaine" ascendante et les courants descendants associés formant des plumes de vapeur, l'ensemble entretenant ce qu'on appelle une pompe à air.

Vénus sous les UV

Images ultraviolettes de Vénus mettant en évidence la structure de son atmosphère qui demeure pratiquement invisible en lumière blanche. On en déduit que certains nuages absorbent les UV. On sait aujourd'hui que s'est en raison de la présence de vapeur d'eau. Ces images ont été réalisées le 15 et 16 Février 1990 par la sonde Galiléo à une distance de 2.3 et 3.3 millions de kilomètres. A l'extrême droite une image UV colorisée en bleu pour accentuer les détails. Cliquer ici pour agrandir uniquement l'image à l'extrême droite. Documents NASA.

Enfin, il existe des ondes planétaires résultant de la rotation de la planète sur son axe et dont la période est de quelques jours. Ces deux types d'ondes transfèrent l'énergie et leur impulsion d'une région à l'autre, influençant de manière sensible les caractéristiques de l'atmosphère (ce qui est également le cas sur Terre).

L'effet de serre est énorme sur Vénus et la température de -50°C au-dessus des brumes vers 80 km d'altitude, monte à 200°C dans les nuages pour atteindre 900°C au sol (485°C en moyenne), selon les relevés effectués en 2007 par la sonde Venus Express. Les sondes Venera 4 et Mariner 5 en 1967 ont toutefois relevé des températures au sol plus "fraîches" oscillant entre 267 et 280°C.

Comme la plupart des planètes ayant une atmosphère, aux niveaux des pôles Vénus présente un vortex, une sorte d'ouragan permanent tournant à grande vitesse autour d'une zone centrale. Sa forme est variable.

Les chercheurs exploitant les données de la sonde Vénus-Express ont découvert en 2011 que Vénus présente également une couche d'ozone dont l'altitude varie entre 90 et 120 km d'altitude et dont l'épaisseur varie entre 5 et 10 km (par comparaison, sur Terre la couche d'ozone se situe entre 20 et 40 km d'altitude avec une concentration maximale vers 25 km d'altitude). La détection de cette couche ajoute une contrainte importante sur la chimie de l'atmosphère de Vénus qu'on peut à présent ajouter aux modèles. De plus cet ozone absorbant les UV agressifs du Soleil préjudiciables à toute forme de vie et se formant à partir de l'oygène, il permet d'établir d'intéressantes comparaisons à propos des possibilités de vie sur les autres planètes. Ainsi, certains astrobiologistes suggèrent que la présence simultanée de dioxyde de carbone, d'oxygène et d'ozone dans une atmosphère pourrait indiquer l'exietence ou non d'une vie sur une planète. Bien entendu, il y a d'autres paramètres à considérer comme la température et la pression qui apportent également leurs contraintes. On en reparlera en bioastronomie.

A gauche, une image tridimensionnelle basée sur les mesures télémétriques et radar nous montre les nombreux volcans et les coulées de laves qui recouvrent Vénus. A droite, une carte topographique de la planète (à agrandir). La résolution atteint 3 km. Les lowlands sont représentés en mauve, les mesolands en vert et les highlands en rouge. Documents NASA/Magellan

Deux phénomènes restent inexpliqués : en passant de l'hémisphère éclairé à celui plongé dans l'obscurité, la température décroît brutalement de 100° sans qu'il soit possible d'expliquer une rupture si brutale. On a également découvert des courants chauds inexpliqués sur la face obscure de Vénus.

Au-dessus des massifs d'Aphrodite Terra, à hauteur de la couche d'aérosols, de nombreux éclairs et des grondements d'orages ont été détectés[2], et ce depuis les premiers enregistrements effectués par les sondes Pioneer-Venus 1 et 2 en 1978, mais n'avaient jamais été confirmés en raison des interférences. Ces éclairs semblaient en relation avec une activité locale du champ magnétique et de la pression du magma interne. On enregistra jusqu'à 25 éclairs par seconde.

Grâce à son antenne magnétique, la sonde Venus Express a confirmé l'existence des éclairs en novembre 2007. Ils furent détectés dans la haute atmosphère, à 56 km l'altitude et se manifestent entre nuages, comme cela se produit également sur Terre mais à une altitude plus faible (éclairs CC ou "crawlers" qui se produisent entre 2 et 10 km d'altitude).

Illustration de l'atmosphère chargée et parfois orageuse lors d'un coucher de Soleil sur Vénus. Document T.Lombry.

L'activité magnétique de Vénus est la plus faible de toutes les planètes (inférieur à 3x10-4 gauss). Vénus ne dispose pas de champ magnétique global et de ce fait, la vapeur d'eau se dissocie sous l'effet des UV et du vent solaire. Les atomes d'hydrogène et d'oxygène s'échappent dans l'espace, asséchant progressivement l'atmosphère de Vénus (voir plus bas).

Non seulement la température et la pression sont intenables sur Vénus mais l'atmosphère est irrespirable et corrosive. On détecta dans les nuages d'altitude de l'acide sulfurique concentré (solution à 75% de H2SO4), de l'acide chlorhydrique et fluorhydrique, tandis que les aérosols contiennent leurs dérivés dont l'anhydride sulfureux qui se décompose sous l'effet de la chaleur. Ici les précipitations sont acides. Au-dessus des nuages, le soufre prédomine à l'état libre donnant à l'atmosphère de Vénus une odeur malodorante et une coloration jaunâtre. Ces nuages s'alignent en larges bandes qui apparaissent de façon fort contrastées en lumière ultraviolette.

Du fait que la circulation atmosphérique de Vénus s'effectue en 4 jours alors que la surface effectue une rotation en 243 jours, on observe une "super-rotation" de l'atmosphère. Ainsi dans la haute atmosphère, vers 50° de latitude les vents soufflent à une vitesse voisine de 470 km/h. Des courants verticaux ont aussi été découverts au-dessus des massifs montagneux d'Aphrodite Terra qui atteignent 11 km/h. Avec toutes ces données, Carl Sagan comparait Vénus à l'enfer mais n'excluait pas la présence de la vie. Il est vrai que sur Terre, la vie subsiste en bien des endroits inhospitaliers, dans des conditions jugées intolérables qui rappellent celles de Vénus, près de sources d’acide sulfurique ou d’évents volcaniques.

Les océans primordiaux et la vapeur d'eau

La surface de Vénus connut-elle autrefois des conditions semblables à celles de la Terre à la même époque ? La sonde spatiale américaine Pioneer-Venus révéla en 1978 que l'atmosphère s'était enrichie en deutérium (un isotope lourd de l'hydrogène contenant un neutron de plus) d'une quantité 100 fois plus élevé par rapport à la quantité originelle présente dans son atmosphère. Cet élément est plus lourd que l'hydrogène de l'eau.

Cette abondance signifierait que par le passé Vénus fut couverte d'un océan, tout comme la Terre il y a quatre milliards d'années, eau qui s'est ensuite évaporée dans l'atmosphère. Plusieurs mécanismes peuvent expliquer la disparition des molécules d'eau dont une dissociation par le rayonnement UV ou sa liaison avec le CO pour former le gaz carbonique. En effet, les relevés effectués par la sonde Venus Express en 2007 ont confirmé que des molécules d'hydrogène et d'oxygène dissociées par les UV s'échappaient rapidement de l'atmosphère tant de jour que de nuit. Comme sur les autres planètes où le champ magnétique est faible ou absent, c'est ensuite le vent solaire qui arracha les atomes de l'atmosphère. A terme, seul le deutérium resta dans l'atmosphère car trop lourd pour s'échapper dans l'espace.

Illustration du champ électrique découvert dans l'atmopshère de Vénus grâce à l'instrument ASPERA-4 de la mission Venus Express.

A ce sujet, l'instrument ASPERA-4, un spectromètre à électrons a permit de mesurer avec précision la valeur du champ électrique vertical dans l'atmosphère de Vénus. Glyn Collinson du centre Goddard de la NASA et son équipe ont découvert en 2016 que le champ électrique vertical était d'au moins 10 volts (contre < 2 volts sur Terre) soit cinq fois plus élevé que le prévoyait les modèles. Notons que c'est la première fois que les astronomes parvenaient à mesurer un champ électrique dans une atmosphère planétaire autre que celle de la Terre. Selon les analyses de Collinson et son équipe, le champ électrique vertical de Vénus est suffisamment fort pour accélérer les ions d'oxygène en altitude jusqu'à ce qu'ils échappent à l'attraction de Vénus et s'évadent dans l'espace.

Après le vent solaire, ce gradient électrique vertical est la seconde composante ayant contribué à la très faible abondance de l'eau dans l'atmosphère de Vénus (estimée à ~ 44 ppm près de la surface par B.Bézard et al., 2009 et à ~90 ppm aux altitudes moyennes selon M.E.Koukouli et al,, 2005 contre 7% dans l'atmosphère terrestre).

Plusieurs chercheurs pensent que la Terre et Vénus sont nées à peu de distance l'une de l'autre. Mais Vénus étant plus proche du Soleil, elle reçoit deux fois plus d'énergie que la Terre. La température aidant, le dégazage qui s'ensuivit provoqua en quelque 600 millions d'années la disparition de l'eau de sa surface. Le gaz carbonique s'accumula dans l'atmosphère et déclencha l'effet de serre qui n'eut de cesse de s'accentuer depuis. Sur Terre, le gaz carbonique s'est dissout dans les océans et se fixa dans les roches sédimentaires. Le mouvement des plaques tectoniques forma les continents. Aussi, il est indispensable que les futures missions spatiales trouvent les traces d'un quelconque ruissellement d'eau ou d'une tectonique des plaques pour confirmer cette hypothèse. Le site d'Ishtar Terra semble tout indiqué pour cette recherche, déjà soupçonné d'avoir une activité tectonique importante.

Le manque d’eau et les vents violents font que Vénus a été préservée de l’érosion entre les périodes volcaniques. Alors que sur Terre la pluie, le froid et les glaciers participent à la dégradation des sols, l’évolution de Vénus a été pratiquement figée. C'est un site d’observation idéal pour les géologues qui peuvent observer l’évolution d’une planète fort similaire à la Terre en l’absence d’érosion, comme si le temps s’était arrêté.

Vénus intéresse également les météorologistes et les climatologues qui peuvent étudier les conséquences de l'effet de serre sur une planète où il a atteint un seuil catastrophique.

Les mission Venus Express et Akatsuji

Après avoir détourné son regard de Vénus durant 14 ans, le 9 novembre 2005, grâce à la collaboration de l'agence spatiale russe, l'ESA lança depuis le cosmodrome de Baïkonour la sonde spatiale Venus Express (cf. le dossier spécial de l'ESA) à destination de l'étoile du berger.

Le vol jusque Vénus dura environ 160 jours. Venus Express fut placée sur une orbite polaire très excentrique variant entre 250 et 66600 km d'altitude. La mise en orbite d'insertion eut lieu en avril 2006. La sonde avait pour mission de jeter un oeil indiscret dans l'atmosphère de notre voisine afin de comprendre pourquoi elle est si dense et de quelles manières elle s'est enrichie en soufre et en gaz carbonique. Les scientifiques espèrent indirectement déterminer si le même phénomène pourrait arriver à la Terre si nous ne réduisons pas les émissions des gaz à effet de serre. La mission Venus Express devait durer au moins 500 jours, jusqu'à la mi-2007 mais se poursuivit jusqu'en novembre 2014 où l'ESA perdit définitivement le contact avec la sonde.

Illustrations artistiques des missions de l'ESA vers Vénus. A gauche, la sonde spatiale Venus Express qui fut placée en 2006 sur une orbite très excentrique oscillant entre 250 et 66600 km d'altitude. Sa mission orbitale dura 500 jours puis elle entama sa descente dans l'atmosphère de Vénus, avant qu'on ne perde son signal en novembre 2014. A droite, la mission euro-nippone Akatsuji de l'ESA/JAXA au moment de l'insertion orbitale. Documents T.Lombry et Akihiro Ikeshita/JAXA.

Pour étudier l'atmosphère plus en détails, Venus Express devait être suivie par la sonde Venus Entry Probe de l'ESA dont voici une illustration mais le projet fut abandonné en 2007. C'était un ballon stratosphérique qui devait larguer vers 55 km d'altitude (où la température est voisine de 30°C et la pression d'environ 500 mb) 15 microsondes d'environ 100 g chacune.

La seule mission en cours est la mission japonaise Akatsuji dont la sonde fut mise en orbite d'insertion autour de Vénus en décembre 2015.

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[2] J.Luhmann et A.Nagy, Nature, 319, 1986, p266 - Un numéro spécial du magazine Nature, 450, p606-662 (2007) a été consacré aux premiers résultats de la mission Venus Express.


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