De nouvelles recherches menées par Lia Siegelman, océanographe physique à la Scripps Institution of Oceanography de l’UC San Diego, montrent que les tempêtes déchaînées dans les régions polaires de la planète Jupiter sont alimentées par des processus connus des physiciens étudiant les océans et l’atmosphère terrestre. Les points communs géophysiques couvrant les 452 millions de kilomètres entre les deux planètes pourraient même contribuer à faciliter une meilleure compréhension de ces processus sur Terre.
Siegelman a établi pour la première fois le lien entre notre planète et la géante gazeuse en 2018 lorsqu’elle a remarqué une similitude frappante entre les images des énormes cyclones de Jupiter et les turbulences océaniques qu’elle étudiait. Pour un physicien, l’air et l’eau sont tous deux considérés comme des fluides. Appliquer la physique océanique à Jupiter n’est donc pas aussi farfelu qu’il y paraît, a déclaré Siegelman. « Jupiter est essentiellement un océan de gaz. »
Cette première observation a conduit Siegelman à co-écrire une étude de 2022 publiée dans Physique naturelle qui analysait les images infrarouges haute résolution des cyclones de Jupiter prises par le vaisseau spatial Juno de la NASA. L’analyse a révélé qu’un type de convection similaire à celui observé sur Terre contribue à entretenir les tempêtes de Jupiter, qui peuvent atteindre des milliers de kilomètres de largeur et durer des années.
L’étude de 2022 s’est concentrée directement sur les cyclones de Jupiter, mais Siegelman a également observé des vrilles vaporeuses, connues par les chercheurs sous le nom de filaments, dans les espaces entre les vortex gazeux. Ces filaments avaient également des analogues terrestres, et Siegelman a utilisé l’imagerie détaillée de Juno pour étudier si cette similitude avec les processus océaniques et atmosphériques de notre planète n’était que superficielle.
Publié le 6 juin dans Physique naturelle , l’étude de suivi de Siegelman révèle des similitudes supplémentaires entre les processus alimentant les cyclones de Jupiter et ceux agissant sur Terre. L’étude montre que les filaments situés entre les cyclones de Jupiter agissent de concert avec la convection pour favoriser et entretenir les tempêtes géantes de la planète. Plus précisément, les filaments de Jupiter agissent d’une manière qui ressemble à ce que les océanographes et les météorologues appellent les fronts sur Terre.
Les fronts sont souvent évoqués dans les prévisions météorologiques – fronts froids ou fronts de tempête, par exemple – mais ils s’appliquent aussi bien aux gaz qu’aux liquides. Un front est la frontière entre des masses gazeuses ou liquides de densités différentes en raison de différences de propriétés telles que la température. Dans l’océan, les fronts peuvent également être dus à des différences de salinité, qui influencent la densité de l’eau de mer ainsi que la température. Une caractéristique clé des fronts est que leurs bords d’attaque présentent de fortes vitesses verticales qui peuvent créer des vents ou des courants.
Pour tenter de comprendre le rôle des filaments qu’elle pouvait clairement voir entre les cyclones de Jupiter sur les images de Juno, Siegelman a examiné une série d’images infrarouges de Juno. Le lot d’images concernait la région polaire nord de Jupiter et a été pris par incréments de 30 secondes.
Le fait que les images soient en infrarouge a permis à Siegelman et à son co-auteur Patrice Klein du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, du California Institute of Technology et de l’Ecole Normale Supérieure de calculer la température : les zones lumineuses étaient plus chaudes et les zones sombres étaient plus froides. Sur Jupiter, les parties les plus chaudes de l’atmosphère correspondent à des nuages minces et les parties les plus froides représentent une épaisse couverture nuageuse, bloquant une plus grande partie de la chaleur émanant du noyau surchauffé de Jupiter. Les chercheurs ont ensuite suivi le mouvement des nuages et des filaments à travers les intervalles de 30 secondes séparant les photographies pour calculer les vitesses horizontales du vent.
Ces deux informations ont permis à Siegelman et Klein d’appliquer à Jupiter des méthodes issues des sciences océaniques et atmosphériques, leur permettant de calculer les vitesses verticales du vent qui correspondraient aux températures et aux vitesses horizontales du vent que les chercheurs ont dérivées des images. Une fois que l’équipe a calculé la vitesse verticale du vent, elle a pu constater que les filaments de Jupiter se comportaient effectivement comme des fronts sur Terre.
Ces vitesses verticales du vent aux bords des fronts sur Jupiter signifiaient également que les fronts étaient impliqués dans le transport de l’énergie sous forme de chaleur depuis l’intérieur chaud de la planète vers sa haute atmosphère, alimentant ainsi les cyclones géants. Bien que la convection soit le principal moteur, les fronts représentent un quart de l’énergie cinétique totale alimentant les cyclones de Jupiter et quarante pour cent du transport vertical de chaleur.
« Ces cyclones sur les pôles de Jupiter persistent depuis leur première observation en 2016 », a déclaré Siegelman. « Ces filaments entre les grands vortex sont relativement petits mais ils constituent un mécanisme important pour entretenir les cyclones. Il est fascinant de constater que les fronts et la convection sont présents et influents sur Terre et Jupiter. Cela suggère que ces processus peuvent également être présents sur d’autres fluides turbulents. corps dans l’univers.
Siegelman a également déclaré que l’échelle massive de Jupiter et l’imagerie à haute résolution de Juno peuvent permettre une visualisation plus claire de la manière dont des phénomènes à plus petite échelle, comme les fronts, se connectent à des phénomènes plus grands, comme les cyclones et l’atmosphère dans son ensemble, des connexions qui sont souvent difficiles à observer. Terre où ils sont beaucoup plus petits et éphémères. Cependant, a-t-elle ajouté, un nouveau satellite très attendu, connu sous le nom de SWOT par les chercheurs, est sur le point de rendre ce type de phénomènes océaniques beaucoup plus facile à observer.
« Il y a une certaine beauté cosmique à découvrir que ces mécanismes physiques sur Terre existent sur d’autres planètes lointaines », a déclaré Siegelman.
Plus d’information:
Frontogenèse aux hautes latitudes joviennes, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02516-x