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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 (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'étendent entre environ 45 et 70 km d'altitude soit dans un volume trois fois plus épais que sur Terre. Cela débute par des brumes vers 80 km au-dessus de la surface et cela 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.

Nuages de glace et effet de serre

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.

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.

Des ondes de gravité

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 ?

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

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.

Rappelons qu'antérieurement, des courants verticaux avaient déjà été découverts au-dessus des massifs montagneux d'Aphrodite Terra atteignant 11 km/h.

De plus, comme le montre les photo ci-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 (la vapeur d'eau absorbe les UV) et la matière sombre du sommet de la couche nuageuse jusqu'en surface 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" permet de mettre en évidence la structure de son atmosphère qui est pratiquement impénétrable et peu structurée en lumière blanche. Ces images ont été prises les 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 pour accentuer les détails. Cliquer ici pour agrandir l'image de 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).

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.

Une couche d'ozone

Les chercheurs exploitant les données de la sonde Venus-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'existence 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. 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.

Des orages et des éclairs

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.

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

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).

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.

Le mystère de la super-rotation

Du fait que la circulation atmosphérique de Vénus s'effectue en 4 jours terrestres alors que la surface effectue une rotation en 243 jours, on observe une rotation de l'atmosphère dans la même direction mais à une vitesses angulaire plus élevée appelée la "super-rotation". Cette vitesse atteint son maximum près du sommet de l'atmosphère, entre 60 et 72 km d'altitude, où elle atteint environ 60 fois la vitesse de rotation de la planète, avec des vents soufflant à environ 470 km/h vers 50° de latitude.

L'origine de ce phénomène est restée enveloppée de mystère car pendant plusieurs décennies les modèles ne sont pas parvenus à reproduire cette super-rotation, indiquant clairement qu'il manquait probablement quelques variables dans les équations. Deux principales voies de recherches ont été explorées, l'une s'attachant aux vents équatoriaux l'autre à la face obscure de Vénus, deux régions qui avaient été peu explorées jusqu'ici.

Concernants les vents équatoriaux, les planétologues supposaient qu'il existait des vents horizontaux aux latitudes basses et moyennes présentant apparemment très peu de variations au cours du temps. Pour résoudre cette énigme, en 2010 la JAXA en collaboration avec l'ESA lança la sonde spatiale Akatsuki (Planet-C), un orbiter à vocation climatique. Toujours actif aujourd'hui, cet orbiter mesure les paramètres de l'atmosphère de Vénus et la photographie grâce à une caméra infrarouge (à 2.26 microns) capable de percer l'atmosphère de brume et de suivre l'évolution des nuages, en particulier dans la région équatoriale que les sondes spatiales Venus Express et Galileo n'avaient pas pu sonder en détail.

A gauche, illustration de la mission euro-nippone Akatsuki (Planet-C) de l'ESA/JAXA au moment de l'insertion orbitale. A droite, mesure de la radiance de la couche nuageuse de Vénus à 2.26 microns par la sonde spatiale Akatsuki le 11 juillet 2016. Documents Akihiro Ikeshita/JAXA et Planet-C project team.

En juillet 2016, grâce à Akatsuki une équipe de chercheurs dirigée par Takeshi Horinouchi de l'Université d'Hokkaido découvrit un courant jet équatorial. Contrairement à ce qu'on pensait, la vitesse des vents varie plus que prévu temporellement et spatialement. Ce courant jet souffle à plus de 288 km/h (80 m/s) dans une zone large d'à peine 10° autour de l'équateur. La vitesse des vents diminue avec la latitude pour atteindre environ 216 km/h (60 m/s) vers 40° de latitude.

On ne comprend toutefois pas encore pourquoi ce courant jet se développe mais il semble lié à la super-rotation (alors que sur Terre les courants jets subtropicaux et polaires sont liés non seulement à la rotation de la Terre mais aussi à la formations des fronts). Les résultats de cette découverte furent publiés en 2017 dans la revue "Nature Geoscience".

Concernant la face obscure de Vénus, les planétologues ont exploité le spectromètre visible et infrarouge VIRTIS de Venus-Express. Bien que ce capteur infrarouge thermique permette d'identifier les couches nuageuses supérieures, le manque de contraste des images ne permettait pas de détailler leur structure. Pour augmenter le contraste, les chercheurs ont procédé à l'empilement de centaines d'images enregistrées simultanément à différentes longueurs d'onde. Cette méthode a très bien fonctionné et a permis d'obtenir une visibilité et une définition sans précédant des nuages de la face obscure.

Selon les Modèles de la Circulation Globale (GCM), la super-rotation doit exister de la même manière sur la face éclairée et sur la face obscure. Or les résulats des travaux entrepris par Javier Peralta de la JAXA et ses collègues publiés en 2017 dans la revue "Nature Astronomy" contredisent ces modèles. La super-rotation est plus irrégulière et chaotique sur la face obscure. Mais pourquoi ?

Deux image prises par l'instrument VIRTIS de Venus-Express le 29 avril 2008 à 13h35:23 TU révélant les ondes stationnaires dans les nuages situés sur la face obscure de Vénus. Passez la souris sur l'image pour charger la 2e photo. Document J.Peralta et al.

L'analyse des images montre que les nuages supérieurs de la face obscure présentent des formes différentes de ceux qu'on trouve ailleurs sur Vénus : ils sont plus larges, ondulés, morcellés, irréguliers et filamenteux et sont dominés par des ondes stationnaires, des structures et des phénomènes qui n'apparaissent pas sur les images prises sur sa face éclairée.

Une étude publiée en 2016 avait déjà montré que les motifs nuageux et l'apparition d'ondes sur la face éclairée de Vénus dépendaient de la topographie en surface. Et justement, dans les images prises par VIRTIS dont deux exemples sont présentés à gauche, on constate que les motifs nuageux ne se déplacent pas avec l'atmosphère. Après avoir discuté longtemps de la réalité ou non de ces nuages stationnaires, Toru Kouyama, l'un des coauteurs de cette étude découvrit indépendamment des nuages stationnaires grâce au télescope infrarouge IRTF de la NASA installé à Hawaii. Cette découverte fut confirmée quand la sonde japonaise Akatsuki orienta ses capteurs vers cette formation nuageuse qui représente la plus grande onde stationnaire observée dans le système solaire.

Mais cette découverte soulève un nouveau défi. En principe de telles ondes se forment au-dessus de surface où le vent interagit avec des obstacles, par exemple une montagne. Or les missions russes impliquant des atterriseurs ont relevé des vents en surface trop faibles pour former de telles nuages. De plus, l'hémisphère sud qu'observa VIRTIS présente des reliefs peu élevés et, plus étrange encore, il ne semble pas y avoir d'ondes stationnaires dans les basses couches et les couches intermédiaires (jusqu'à environ 50 km au-dessus du sol). Mais s'il existe des ondes stationnaires en haute altitude, cela signifie en théorie qu'elles se sont élevées à travers les nuages depuis des ondes générées en surface.

Devant ces paradoxes, selon Ricardo Hueso de l'Université de Bilbao en Espagne et également coauteur de cette étude, les chercheurs vont devoir réviser leurs modèles de Vénus pour expliquer ce phénomène. Selon qu'on ajoute ou pas la topographie de Vénus, cela a un effet dans son atmosphère, mais cela n'engendre pas de motifs nuageux spécifiquement liés à la topographie. Bref, un nouveau défi se présente aux climatologues qui modélisent le climat de Vénus. Affaire à suivre.

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'atmosphère 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 permis 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.

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.

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Les transits de Vénus

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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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