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Sous les brumes de Titan

La stratification de la haute atmosphère de Titan. Doc JPL/SSI.

Rapport d'une mission dans un autre monde (I)

Par ses dimensions, Titan, le plus gros satellite de Saturne arrive juste derrière le plus gros satellite naturel du système solaire, Ganymède (5262 km), le principal satellite de Jupiter, avec un diamètre de 5150 km, à mi-chemin entre Mercure et Mars. 

Titan est deux fois plus léger que la Lune (densité de 1.88 contre 3.34). Sa faible densité s'explique par le fait qu'il présente un épais noyau rocheux d'un rayon d'environ 1900 km, entouré d'un manteau trois fois moins étendu (675 km) constitué de différentes glaces cristallines.

Titan présente une structure interne plus différenciée que celle de Ganymède. Cela vient du fait que Titan contient de la glace d'eau et d'ammoniaque (solution aqueuse d'ammoniac) qui ont été mélangées par -100 à -180°C alors que sur Ganymède, la glace a été fondue vers 100°C.

Au cours de son évolution, l'orbite de Titan a été stabilisée par la gravité de Saturne, si bien qu'aujourd'hui le satellite présente une rotation synchrone - comme la Lune vis-à-vis de la Terre ou Charon vis-à-vis de Pluton, Titan présente toujours le même côté à Saturne - rotation qu'il effectue en 15.9 jours et de moins en moins excentrique (0.03). Comme sur Io, Europe ou Encélade, cet effet gravitationnel a pu générer des mouvements dans le manteau et l'écorce de Titan, conduisant à une activité cryo-volcanique (il s'agit un volcanisme ordinaire où l'eau remplace le magma) et des déplacements de son écorce.

La chimie des hydrocarbures

La chimie de Titan est extraordinaire car elle est très différente de celle que nous connaissons sur Terre, où l'eau joue un rôle majeur. En raison de la forte pression qui règne sous l'écorce de Titan, il est probable que le méthane, l'éthane ainsi que l'eau existent sous différents états, à la fois sous forme de nappes souterraines liquides, de poches de gaz  et sous forme de glace.

Profil intérieur de Titan et profil atmosphérique comparé à celui de la Terre. Documents NASA et T.Lombry.

L'évolution des transitions de phase affecte également la circulation régulière des mouvements convectifs. Les échanges de chaleur étant peu efficaces, Titan s'est graduellement réchauffé. Ce phénomène aurait entraîné l'écoulement de l'azote qui fait partie intégrante du processus dynamique recyclant et maintenant l'atmosphère de Titan. En effet, sous 1500 HPa, l'azote entre en ébullition et prend sa forme gazeuse à -190°C contre -196°C sur Terre. 

La température est suffisamment froide sur Titan pour y trouver des rivières de méthane liquide mélangée à de l'azote dissous. Selon certains planétologues, elles auraient pu créer des ravines au fil des éons. Il y a peu de chances de découvrir des lacs d'azote liquide malgré son abondance dans l'atmosphère du fait qu'il s'évapore au-dessus de -190°C.

Qu'en est-il de l'eau ? La température est évidemment trop basse pour faire fondre la glace d'eau ou d'ammoniaque. En revanche, il peut exister de l'eau liquide dans les endroits isolés proches de sources chaudes. En fait, il pourrait encore en exister, formée soit par un impact soit par le cryo-volcanisme évoqué précédemment. Ce genre de phénomène peut tout à fait se produire actuellement.

Les nuages de Titan présentent une coloration orangée très prononcée qui se stratifie en haute altitude ainsi que le montre très bien la photographie présentée ci-dessus. Il existe probablement deux couches nuageuses à environ 200 et 300 km d'altitude.

A consulter : La carte topographique de Titan, UAI

A gauche, image composite et colorisée de Titan réalisée à partir des images transmises par la sonde Cassini le 26 octobre 2004. On découvre des montagnes claires, des plaines sombres et la calotte polaire. Cliquer ici pour lancer une animation (GIF de 517 KB). A droite, une image composite prise en infrarouge (bleu à 1.3 microns, vert à 2.0 microns et rouge à 5.0 microns) par la sonde Cassini le 13 novembre 2015 montrant toute l'étendue des lacs. Il s'agit en grande partie de la face orientée vers Saturne. On reconnaît le plus grand cratère d'impact confirmé, Menrva (dans la partie supérieure gauche, près du limbe), le bassin de Hotei Regio (à gauche, en orange près du limbe) et des canaux à l'Est de Xanadu (à droite du centre). Cf. la carte topographique ci-dessus pour les détails. Documents CICLOPS et NASA/JPL.

Avec une température au-dessus de la couche nuageuse proche de -115°C et de -179°C au sol, Titan reste un monde glacé, inhospitalier. A de si basses températures, l'eau glacée présente sur le sol ne peut pas se sublimer dans son atmosphère qui ne contient pratiquement pas de vapeur d'eau. Mais elle est par contre chimiquement très riche.

Son atmosphère, plus dense que celle de la Terre, a conservé ses composants primitifs et est principalement constituée d'azote (80% contre 76% pour la Terre), d'argon (12% contre 0.9%) et de méthane (6%), ce dernier dominant la haute atmosphère. Fait intéressant, le rayonnement solaire dégrade ces molécules, les transformant en composants hydrocarbonés (nitrile, acide cyanhydrique, acétonitile, etc). On trouve également de l'hydrogène moléculaire à l'état de trace (0.2%). Dans les basses couches, l'atmosphère baigne localement dans ou brouillard assez similaire au "smog" qui stagne au-dessus de nos grandes villes mais il est beaucoup plus épais.

La surface éclairée par le Soleil baigne en permanence dans un crépuscule jaunâtre du fait de la dispersion de la lumière par les nuages d'hydrocarbures, les brumes présentes près de la surface et les aérosols omniprésents en altitude. 

Selon les modèles climatiques de Titan, les vents atteignent 120 m/s (432 km/h !) en altitude et sont presque nuls en surface.

Les -179°C relevés sur Titan signifient qu'il est impossible de trouver de la glace de méthane ou d'ammoniaque pur, car à de si basses température ces éléments sont instables. Il fait si froid que l'ammoniaque tombe en paillettes de glace. En-dessous de -190°C, le méthane, l'éthane et l'argon tombent sous forme de neige en haute altitude et se transforment en bruine ou pluie près de la surface tandis que l'azote se transforme occasionnellement en bruine. En précipitant, toutes ces substances entraînent le brouillard orange photochimique vers le sol (comme le sable contenu dans l'air précipite avec la pluie sur terre), les gaz purs ou dissous finissant par s'évaporer au contact du sol.

Tableau des propriétés des principaux éléments chimiques

Poids moléculaire, température de fusion, d'ébullition, chaleur latente, etc

Document T.Lombry

Document T.Lombry

Document T.Lombry

Méthane, CH4 Ethane, C2H6 Ammoniac, NH3

En phase liquide (entre environ -167°C et -188°C), le méthane et l'éthane présentent une plus faible densité qu'à l'état solide et glacé. Si nous découvrons des mers d'hydrocarbures sur Titan à l'image des illustrations présentées ci-dessous, elles ne seront donc pas recouvertes d'une épaisse couche de glace à l'image de nos mers polaires. 

En effet, lorsque ces liquides gèlent, la glace d'hydrocarbure commence par se former au fond des lacs pour remonter vers la surface, à l'inverse de ce qu'on observe sur Terre. 

Hydrocarbure et molécule hydrocarbonée

Ne confondons pas hydrocarbure et hydrocarbone... Un hydrocarbure est une molécule composée de carbone et d'hydrogène : CxHy, le plus simple étant CH4, le méthane.

"Hydrocarbone" est une anglicisme. On parle toutefois de molécule hydrocarbonée. L'acide cyanhydrique, HCN, n'est pas un hydrocarbure mais un nitrile (groupement CN) dont l'appellation officielle est méthanenitrile. Le deuxième composé de cette famille est l'acétonitrile (CH3CN) ou éthanenitrile. Ces éléments ont été détectés dans l'atmosphère de Titan.

S'il y a des surfaces liquides sur Titan, on ne verrait pas leur surface gelée car les glaces de méthane ou d'éthane coulent. L'eau est le seul élément connu où la forme solide est plus légère que la forme liquide. Donc pas de patinoire sur Titan !

Il est également possible que depuis des éons, les précipitations se soient accumulées dans des gorges et des bassins. Une grande quantité de méthane et d'éthane contenu dans l'atmosphère se serait ainsi transformée en une espèce de bain visqueux dont la nature peut aller du pétrole pur jusqu'au goudron (asphalte). Quant à sa consistance, cela oscille entre le liquide et le solide en fonction de la température et de la durée de repos. Même les substances comme la poisse avec laquelle on protégeait jadis les bateaux contre l'humidité présente encore une certaine viscosité une fois sèche. Voyez cette expérience tout à fait révélatrice.

Sciences/titan-lacmethane-ring.jpg

Représentations artistiques des paysages de Titan. Ci-dessus à gauche, un canal de drainage rempli de méthane avec au loin l'image diaphane de Saturne qui transparaît à travers les nuages. A droite, une éclaircie permet de distinguer Saturne située à 1.2 millions de km ou 20.3 Rs. Ci-dessous à gauche, une vue rapprochée du rivage un jour de brume. Les criques sont en fait des cratères noyés dans le méthane. A droiten le rivage sur lequel donnent les gorges asséchées. D'autres paysages photo-réalistes sont rassemblés sur cette page. Documents T.Lombry.

Selon une théorie notamment avancée par Jonathan Lunine aujourd'hui à Cornell (dont nous connaissons déjà les théories à propos de Mars), la surface de Titan pourrait être constituée de clathrates de méthane (des glaces d'eau mêlées de méthane plus légères qu'une chondrite ordinaire) couvant localement former de larges réseaux cristallins, traversés ci et là par des coulées de méthane liquide.

En raison de la forte concentration des hydrocarbures, il est probable qu'une grande partie de la surface de Titan est recouverte de molécules hydrocarbonées asséchées. Sous une atmosphère baignant dans une lumière orangée, le sol prend une coloration toutes en nuances de jaune-brun-orangés.

Si nous pouvions sentir l'odeur de Titan (c'est impossible du fait qu'il manque d'oxygène et en raison du froid qui nous brûlerait les poumons, gèlerait notre nez et nous tuerait en quelques minutes), par -180°C, pratiquement aucune effluve ne se dégage de la matière. En théorie, à température ambiante (+20°C) Titan pourrait sentir les hydrocarbures et le goudron, mêlé d'effluves parfois ammoniaquées dans les régions actives. En pratique, l'azote et le méthane constituant l'essentiel de l'atmosphère de Titan, ces gaz sont inodores. C'est tout différent de la Terre, où l'odeur que l'on sent provient essentiellement du métabolisme végétal et parfois (après un orage) de réactions avec l'ozone ou des effluves des embruns marins. Mais il n'y a rien de tout cela sur Titan.

Si le site paraît intéressant dans la perspective d'une exploitation pétrolière, il est impensable d'envisager la colonisation de Titan car économiquement son exploitation n'est pas rentable (sauf en établissant une colonie tout près).

Données physiques de Titan comparées à la Terre

Paramètre

Titan

Terre

Distance au Soleil :

Révolution sidérale :

Période de rotation (synchrone) :

Vitesse orbitale moyenne :

Inclinaison orbitale :

Excentricité orbitale :

Diamètre :

Magnitude visuelle :

Albedo :

Energie reçue du Soleil :

Masse :

Gravité :

Vitesse de libération :

Densité :

Température en surface (équateur) :

Composition de l'atmosphère :

Pression atmosphérique au sol :

1 221 850 000 km

>15.945 jours

15.945 jours

5.6 km/s

0.33°

0.029192

5150 km

8.28

0.21

14.93 W/m2

1.34 x 1023 kg

1.345 m/s2

2.65 km/s

1.881

-178°C

N2, Ar, CH4

1500 mb

149 597 870 km

365.242 jours

23h 59m 04s

29.79 km/s

23°26'

0.017

12756 km

-3.86

0.367

240 W/m2

5.9736 x 1023 kg

9.81 m/s2

11.2 km/s

5.52

+15°C

N2, O2, Ar, CO2

1013 mb

Bien que les rayons ultraviolets cassent les molécules de méthane, son stock est constamment renouvelé grâce aux émanations du sol. Depuis la mission Voyager et grâce aux observations effectuées depuis la Terre depuis les années '80, nous savons que l'atmosphère de Titan contient des hydrocarbures à 2, 3 et 4 atomes de carbone et même 6 atomes de carbone dans le cas du benzène (C6H6).

L'atmosphère de Titan synthétise également des composés nitriles à un ou plusieurs atomes de carbone : HCN, C2N2, CH3CN, HC3N et C4N2.

Ces molécules sont entraînées vers la surface par les aérosols de méthane et d'éthane où ils finissent par geler et se briser. La chimie prébiotique doit avoir beaucoup de mal pour se développer à la surface de Titan.

Malgré un froid à vous glacer les os, Titan reste un lieu de prédilection pour l'étude des composés prébiotiques qui donnèrent naissance à la vie sur Terre. En effet, par sa composition chimique, Titan ressemble à la Terre d'il y a 4 milliards d'années, la chaleur en moins. Si nous découvrons une forme de vie élémentaire ou ne fut-ce que les briques qui conduisent au monde vivant, ce sera une grande première car cela démontrera que la vie peut parfaitement apparaître dans un milieu glacé, loin de la chaleur réconfortante du Soleil ou des sources chaudes.

Cela dit, Titan peut très bien abriter des sources chaudes si l'activité cryo-volcanique est importante. Des remontées d'eau chaude mêlée de méthane ou d'ammoniaque peuvent permettre à certaines formes de vie élémentaires de survivre en surface ou dans le sous-sol, comme c'est le cas sur Terre dans différents lieux humides jugés hostiles à toute forme de vie (Grand Prismatic Spring, etc). On reparlera de ces milieux extrêmes dans d'autres dossiers dont celui consacré à la faculté d'adaptation.

La mission Cassini-Huygens

Jusqu'à la mission Cassini-Huygens de 2005, on n'en savait pas beaucoup plus. Titan reste un astre mystérieux du fait qu'il est en permanence voilé sous une épaisse brume nous empêchant d'observer sa surface.

Les radiotélescopes et surtout les photographies infrarouge prises depuis 1989 par Hubble ont révélé que Titan présentait une surface solide, couverte ci et là de zones brillantes à la réflexion variable suggérant l'existence d'étendues liquides.

A gauche, une vue générale des différents instruments fixés sur la sonde spatiale Cassini-Huygens : 5.6 tonnes de matériel pour 6.8 m de hauteur ! Les premières maquettes remontent à 1980. Au centre, son lancement depuis la Floride le 15 octobre 1997. Ne pouvant directement rejoindre l'orbite d'insertion de Saturne en raison de son poids, la sonde spatiale recevra quatre assistances gravitationnelles pour rejoindre Saturne : elle survola 2 fois Vénus, en avril 1998 et en juin 1999, la Terre en août 1999, avant de passer dans les parages de Jupiter en décembre 2000. Elle effectua ensuite une trajectoire pratiquement en ligne droite jusque Saturne, passant progressivement de 11 km/s au départ de la Terre à près de 39 km/s (140000 km/h !) dans les parages de Saturne en 2004. Documents ESA, NASA/KSC et JPL.

Jusqu'à présent, les planétologues pensaient que Titan était recouvert ci et là de lacs profonds de 1000 mètres, voire d'un océan global constitué de méthane ou d'un mélange d'éthane/méthane formé par la précipitation d'éthane liquide. Mais jusqu'en 2005 personne n'en était sûr. Aujourd'hui, les mesures effectuées in situ par les 30 instruments embarqués à bord de la sonde Huygens confirment les hypothèses des scientifiques. 

Lancée en octobre 1997 par la NASA, après un périple de plus de 7 ans et parcouru environ 1.2 milliards de kilomètres à près de 39 km/s (140000 km/h !), en 2004 la sonde européenne Cassini-Huygens photographia plusieurs satellites de Saturne, son atmosphère ainsi que ses anneaux et effectua 45 survols de Titan.

Fin 2004, pendant que la sonde Cassini poursuivait sa mission avant de plonger elle-même dans l'atmosphère de Saturne fin 2008, la sonde Huygens s’en alla visiter Titan. Huygens était prévue pour flotter car on ignorait si elle allait tomber sur un sol dur et gelé, ou, ce qui aurait été extraordinaire, dans un lac de méthane.

Entourant une vue éclatée des différents composants de la sonde Huygens, à gauche, la préparation de la sonde posée dans sa coiffe inférieure de protection. A droite, la sonde après un test d'atterrissage dans la neige effectué en 1995 et couronné de succès. Documents NASA/KSC et ESA.

Aujourd'hui, pour la première fois dans l'histoire de l'exploration spatiale, Titan nous a dévoilé son véritable visage et les scientifiques ne s'attendaient vraiment pas à découvrir une telle variété de reliefs. Torrence Johnson, membre de l'équipe d'imagerie de la mission Cassini au JPL reconnaît que les scientifiques espéraient découvrir une surface étrange, à l'image d'un film de science-fiction, mais ce qu'ils ont découvert dépassa toutes leurs espérances. Voyons ce rapport d'une mission dans un autre monde, le plus lointain sur lequel l'homme ait déposé un objet de sa fabrication...

Prochain chapitre

La descente et le déploiement des instruments

 

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