SATURNE, planète

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Structure, composition et dynamique de l’atmosphère

Structure de l’atmosphère de Saturne

Encyclopædia Universalis France

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 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 10^– ⁴à 10^– ⁵ 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 × 10^– ⁷ 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 (10^– ⁹ 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[...]

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Écrit par

Bruno BÉZARD : directeur de recherche au CNRS, Observatoire de Paris

Classification

Pour citer cet article

Bruno BÉZARD, « SATURNE, planète », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL :

« SATURNE, planète ». Dans Encyclopædia Universalis [en ligne]. Consulté le sur

Encyclopædia Universalis, s.v. « SATURNE, planète », Consulté le ,

Média

Saturne vue par la sonde Cassini

Space Science Institute/ JPL/ NASA

Planètes géantes

Courtesy NASA / Jet Propulsion Laboratory

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

Encyclopædia Universalis France

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