JUPITER, planète

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Structure de la planète

Jupiter, comme d'ailleurs les autres planètes géantes du système solaire, est un objet profondément différent des planètes telluriques : Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont caractérisés par une surface solide de quelques milliers de kilomètres de diamètre, qu'entoure une atmosphère peu épaisse, voire très ténue dans le cas de Mercure. Au contraire, Jupiter est une énorme boule de gaz, composée essentiellement, comme le Soleil et les autres étoiles, d'hydrogène et d'hélium. Les images fastueuses que nous observons au télescope ou qui ont été transmises par les sondes spatiales sont celles des couches extérieures des nuages. Ces nuages dissimulent la structure profonde de la planète, mais les techniques modernes de mesures des rayonnements électromagnétiques réfléchis ou émis par la planète, le repérage précis des trajectoires des sondes spatiales passant à sa proximité et l'application des lois de la physique permettent de se faire une idée étonnamment précise de l'intérieur de la planète.

Jupiter : l'atmosphère

Photographie : Jupiter : l'atmosphère

Le spectacle haut en couleur offert par l'atmosphère de Jupiter est mis en évidence sur cette vue, élaborée à partir d'images obtenues en 1979 par la sonde Voyager-2, et dont les contrastes ont été amplifiés. L'atmosphère de Jupiter est dominée par une alternance de bandes colorées qui... 

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L'analyse du rayonnement planétaire dans l'ultraviolet, le visible, l'infrarouge et le domaine radioélectrique, tant à partir des observatoires terrestres qu'à l'aide des appareils embarqués à bord des sondes spatiales, a permis de déterminer la température et la composition chimique des couches extérieures de Jupiter sur une épaisseur d'environ 2 000 kilomètres, ce qui est évidemment minime comparé aux quelque 70 000 kilomètres du rayon de Jupiter. Que verrait donc un observateur descendant dans Jupiter, armé des moyens d'investigation nécessaires... et indestructible ?

Venant de l'espace interplanétaire et se dirigeant vers le centre de la planète, notre voyageur rencontre d'abord une haute atmosphère extrêmement ténue, constituée essentiellement d'hydrogène, et où la température est de l'ordre de 1 500 kelvins. Il aborde ensuite, à des niveaux où la pression est de l'ordre de 1 millionième de la pression de l'atmosphère terrestre au sol, une zone au-dessous de laquelle la turbulence est assez forte pour que les divers composants atmosphériques se mélangent à tout moment. La température à cet endroit n'est plus que d'environ 370 kelvins ; elle continue à décroître à mesure que l'on descend. À partir de ce moment, l'atmosphère est composée d'environ 90 p. 100 d'hydrogène moléculaire (H2) et de près de 10 p. 100 d'hélium. S'y ajoutent une petite quantité de méthane (CH4) – de l'ordre de 0,1 p. 100 – et des quantités encore plus faibles d'acétylène (C2H2) et d'éthane (C2H6) ; ces deux derniers gaz sont produits dans la haute atmosphère par le rayonnement ultraviolet solaire, qui casse les molécules de méthane en morceaux qui se recombinent ultérieurement en molécules plus compliquées, les hydrocarbures. L'acétylène et l'éthane sont les seuls hydrocarbures qui ont été détectés de manière sûre, mais il est probable que d'autres existent en quantités très faibles. D'après des analyses des données des sondes, l'éthylène (C2H4), le benzène (C6H6) et le méthylacétylène (C3H4) seraient aussi présents.

Descendant encore, le voyageur détecte, à des niveaux où la pression est de l'ordre de quelques millièmes d'atmosphère, de l'ammoniac (NH3) en quantité infime mais néanmoins suffisante pour pouvoir être détectée à partir de satellites d'observation astronomique circumterrestres. Il commence aussi à découvrir une brume peu épaisse composée de petites particules de diamètre inférieur au micromètre et dont la nature est encore inconnue (il pourrait s'agir de petits cristaux d'ammoniac ou bien de particules d'hydrocarbures à l'état solide ou liquide). Arrivé à un niveau voisin d'un dixième d'atmosphère, le voyageur se trouve alors à des températures de l'ordre de 120 kelvins, dans une région appelée tropopause, à partir de laquelle la température va recommencer à croître continûment jusqu'au centre de la planète. À ce niveau, la quantité d'ammoniac croît extrêmement rapidement, jusqu'à atteindre quelques dix-millièmes vers 0,6 atmosphère. Apparaît également un gaz appelé phosphine (PH3) qui, bien qu'en quantité modeste (moins de 1 millionième), absorbe énormément le rayonnement infrarouge, comme d'ailleurs l'ammoniac. Vers 0,3-0,5 atmosphère de pression, le voyageur découvre une couche de nuages blancs comme les cirrus dans l'atmosphère terrestre, composés de cristaux d'ammoniac dont les dimensions pourraient atteindre 100 micromètres. Cette couche nuageuse est peu opaque dans le domaine visible, de sorte qu'elle n'empêche pas de voir à partir de la Terre les nuages colorés situés plus profondément, vraisemblablement vers 2 ou 3 atmosphères de pression. En revanche, les « cirrus » d'ammoniac absorbent fortement le rayonnement infrarouge, bloquant ainsi le rayonnement des couches plus chaudes situées à plus grande profondeur. La couche d'ammoniac n'est cependant pas homogène et, à divers endroits de Jupiter, notamment dans la zone équatoriale, elle est peu dense, ou inexistante, permettant ainsi au rayonnement infrarouge à 5 micromètres de nous parvenir. Les nuages colorés sont en revanche opaques à l'infrarouge comme au visible. Leur nature est encore inconnue : s'agit-il de sulfure d'acide (NH4SH), de composés phosphorés, voire de composés organiques complexes ?

Vers 3 ou 4 atmosphères, le voyageur commence à détecter d'autres composants atmosphériques, comme la vapeur d'eau, le germane (GeH4), l'oxyde de carbone (CO). D'autres composants mineurs, non encore détectés, sont sans doute présents en très petites quantités. À partir de 4 ou 5 atmosphères, vers 270 kelvins, les rayonnements visible ou infrarouge ne peuvent plus fournir d'information, mais le rayonnement radioélectrique émis par ces couches peut encore être détecté du sol à l'aide de grands radiotélescopes. Au-delà d'environ 40 atmosphères de pression, vers 320 kelvins, nous ne disposons plus d'information directe. On entre dans le domaine de la structure interne, qui fait l'objet de théories complexes dont il convient de dire quelques mots avant de pénétrer plus profondément dans le mystère jovien.

Trois sortes d'information fournissent des contraintes pour les théories sur la structure interne de Jupiter. Il s'agit en premier lieu des proportions respectives des deux constituants majeurs de Jupiter, l'hydrogène et l'hélium ; ces proportions ont été mesurées avec précision par les sondes Voyager et Galileo dans l'atmosphère extérieure. En deuxième lieu, les mesures dans l'infrarouge ont montré que Jupiter émettait 1,7 fois plus d'énergie qu'il n'en recev [...]

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Jupiter : structure de la haute atmosphère

Jupiter : structure de la haute atmosphère
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Planètes géantes

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Écrit par :

  • : astronome titulaire à l'Observatoire de la Côte d'Azur
  • : professeur de classe exceptionnelle à l'université de Paris-VII-Denis-Diderot
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., astronome à l'Observatoire de Meudon
  • : docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S.
  • : professeur de géologie à l'École normale supérieure de Lyon

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Pour citer l’article

André BOISCHOT, André BRAHIC, Daniel GAUTIER, Guy ISRAËL, Pierre THOMAS, « JUPITER, planète », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/jupiter-planete/