SATURNE, planète

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Structure, composition et dynamique de l’atmosphère

L’atmosphère de Saturne, accessible à l’observation à distance, présente des similitudes avec celle des autres planètes géantes du système solaire (Jupiter, Uranus et Neptune) mais aussi des différences notables en termes de structure thermique, composition et dynamique.

Structure de l’atmosphère de Saturne

Dessin : Structure de l’atmosphère de Saturne

Les variations verticales de la température définissent différentes régions dans l'atmosphère avec ses sources et mécanismes spécifiques de transport d'énergie : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère.  Au-delà se trouve l'exosphère, région de... 

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Structure thermique

Dans la troposphère – zone la plus profonde de l’atmosphère –, la température croît avec la pression et décroît donc avec l’altitude. En s’éloignant du centre de Saturne, on atteint vers les niveaux de pression de 50 à 100 hectopascals (hPa, 1 hPa = 102 Pa) – à une altitude z ≈ 100 kilomètres – un minimum de température d’environ 85 K (–188 0C) qui définit la tropopause. C’est la base de la stratosphère, région dans laquelle la température croît avec l’altitude jusqu’à des niveaux de pression de l’ordre de l’hectopascal, vers 300 kilomètres, pour atteindre 140 K (–133 0C) aux latitudes moyennes. Plus haut, dans la mésosphère qui s’étend jusque vers 104 à 105 hPa (z proche de 800 km), la température varie peu, entre 140 et 160 K (–133 à –113 0C). À ce niveau, appelé mésopause, commence la thermosphère, caractérisée par une augmentation très rapide de la température avec l’altitude jusqu’à atteindre environ 400 K (130 0C) à une pression de 0,3 × 107 à 10-6 hPa (vers 1 200 à 1 500 km et à moyenne latitude). La température ne varie alors plus guère jusqu’à l’exobase, vers 3 000 kilomètres d’altitude (109 hPa), qui constitue la limite supérieure de la thermosphère. C’est là que commence l’exosphère, la région la plus haute de l’atmosphère, si peu dense que les molécules d’hydrogène peuvent parcourir librement des centaines de kilomètres avant de subir une collision avec une autre molécule, de telle sorte qu’on ne peut plus vraiment y définir une pression et une température.

Le profil vertical de la température dans la troposphère et la stratosphère résulte principalement d’un équilibre entre, d’une part, l’apport de chaleur due à l’absorption du rayonnement solaire et à la source d’énergie interne et, d’autre part, le refroidissement lié à l’émission thermique des gaz. À des pressions supérieures à 600 hPa (z < 20 km), le transport d’énergie se fait principalement par convection (déplacement de matière), les masses d’air montantes se refroidissant par détente adiabatique (sans échange de chaleur avec l’environnement). La température décroît ainsi régulièrement avec l’altitude de 0,8 0C par kilomètre environ. Au-dessus de 20 kilomètres, l’atmosphère est plus transparente, le transport d’énergie par émission de rayonnement l’emporte sur la convection et la température décroît moins rapidement avec l’altitude. L’inversion de température qui se produit à la tropopause, vers 100 hPa, résulte de l’absorption de l’énergie solaire par le méthane (CH4), de plus en plus efficace à mesure que l’altitude augmente. À partir de la base de la thermosphère, vers 10-4 à 10-5 hPa, l’augmentation très rapide de température est due à la moindre efficacité du refroidissement radiatif (par émission de rayonnement) par les hydrocarbures et au transport, par conduction moléculaire, de chaleur générée à haute altitude. Cette source de chaleur, de l’ordre de 5 térawatts, provient de la dissipation thermique associée aux courants d’ions créés par la précipitation d’électrons de la magnétosphère vers les pôles.

Alors que le champ de température sous le niveau de quelque 500 hPa (30 km) est quasiment uniforme, on observe, plus haut, des variations en latitude de plus en plus marquées à mesure que l’altitude augmente, liées en grande partie aux variations saisonnières de l’ensoleillement. Ainsi, la sonde Cassini a observé que, vers 1 hPa, le pôle Nord était 40 0C plus froid que le pôle Sud pendant l’hiver au nord, tandis que la situation s’inversait peu après l’équinoxe de printemps. La circulation atmosphérique à grande échelle tend à redistribuer la chaleur des régions les plus chauffées par le Soleil (équateur et hémisphère d’été) vers les régions moins ensoleillées, et donc à réduire les contrastes de température en latitude. Des processus dynamiques plus localisés peuvent aussi affecter le champ de température. Le plus notable est une oscillation quasi périodique du vent et de la température qui s’étend approximativement entre les latitudes 100 N et 100 S, avec des répercussions jusqu’à 200 N et 200 S. Cette oscillation équatoriale correspond à des variations de température dans la stratosphère de +/–10 0C sur une période d’environ quinze ans et une longueur d’onde verticale d’environ 300 kilomètres.

Composition chimique de l’atmosphère

L’atmosphère de Saturne est composée majoritairement de dihydrogène (H2) à hauteur d’environ 90 % et d’hélium (He) pour quelque 10 %. On trouve ensuite du méthane (CH4) à une concentration de 0,45 %, puis de l’ammoniac (NH3) dans une proportion dix fois moindre. L’abondance de ce dernier gaz décroît toutefois rapidement avec l’altitude au-dessus du niveau de pression de 2 000 hPa car, d’une part, il réagit avec le sulfure d’hydrogène (H2S) et, d’autre part, il condense aux températures inférieures à 145 K (–128 0C). Nous n’avons qu’une indication indirecte de la présence de H2S à des pressions supérieures à 2 000 hPa, où sa concentration serait légèrement inférieure à celle de NH3. On a également détecté de la vapeur d’eau (H2O) à des niveaux de pression de quelques milliers d’hectopascals, en très faible quantité car ce gaz condense sous forme de glace aux températures inférieures à 0 0C (273 K). Le méthane, l’ammoniac, le sulfure d’hydrogène et l’eau sont les molécules principales, chimiquement stables, porteuses respectivement des éléments carbone (C), azote (N), soufre (S) et oxygène (O). Les rapports d’abondance C/H et S/H correspondent à un enrichissement d’un facteur 10 de l’atmosphère de Saturne par rapport au Soleil et à la nébuleuse solaire primitive, ce qui est qualitativement en accord avec la formation de la planète par accrétion initiale d’un cœur de roches et de glaces (riche en éléments lourds qui se sont ensuite en partie dilués dans l’atmosphère venant l’enrichir par rapport à la nébuleuse solaire primitive).

Composition chimique de l’atmosphère de Saturne

Tableau : Composition chimique de l’atmosphère de Saturne

Les constituants les plus importants de l'atmosphère sont de loin le dihydrogène (hydrogène moléculaire, H2) et l'hélium (He). On trouve aussi de la vapeur d'eau (H2O), du méthane (CH4), de l'ammoniac (NH3), du sulfure d'hydrogène (H2S) et nombre de composés qui ne sont pas à... 

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Outre ces composés majeurs, on trouve dans la troposphère des corps qui ne sont pas à l’équilibre chimique : la phosphine (PH3), le germane (GeH4), le monoxyde de carbone (CO) et l’arsine (AsH3). Ces corps arrivent dans l’atmosphère grâce à des mouvements convectifs. Ils proviennent de l’intérieur plus profond et plus chaud de Saturne où ils sont stables, ce transport étant plus rapide que les réactions de conversion maintenant l’équilibre chimique.

D’autres composés hors équilibre, formés par des réactions photochimiques, sont présents dans la stratosphère et la mésosphère. À haute altitude, vers des niveaux de [...]

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Saturne vu par la sonde Cassini

Saturne vu par la sonde Cassini
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Planètes géantes

Planètes géantes
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Principales caractéristiques de Saturne mises en perspective avec celles de Jupiter et de la Terre

Principales caractéristiques de Saturne mises en perspective avec celles de Jupiter et de la Terre
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Aspect changeant de Saturne observé par Huygens

Aspect changeant de Saturne observé par Huygens
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  • : directeur de recherche au CNRS, Observatoire de Paris

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Pour citer l’article

Bruno BÉZARD, « SATURNE, planète », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/saturne-planete/