3 Janvier 2018

Cassini, avis de tempête sur Saturne

L’atmosphère de Saturne a été fortement perturbée par la tempête géante qui l’a parcourue entre 2010 et 2011. Pour comprendre les conséquences de ce phénomène d’ampleur planétaire, les 13 années de données de la sonde Cassini ont été utilisées pour analyser la température et la dynamique des vents. Nous en discutons avec Sandrine Guerlet, co-auteur de l’étude parue dans Nature Astronomy et chercheuse CNRS au Laboratoire de Météorologie Dynamique.

À travers les instruments de la sonde Cassini en orbite autour de Saturne jusqu’en septembre 2017, la communauté scientifique a pu suivre l’évolution de la « grande tache blanche » de l’hémisphère nord, et ses effets sur le reste de la planète. Après avoir fait rage sur Saturne de décembre 2010 à juillet 2011 avec des vents jusqu’à 430 km/h, la tempête d’une taille comparable à la Terre a laissé derrière elle une atmosphère profondément changée. De nouvelles bandes nuageuses sont apparues dans la troposphère à 35-40°N, encerclant la planète en quelques mois et modifiant son apparence dans les longueurs d'onde visible.

De manière plus surprenante, cette tempête a provoqué un réchauffement extrême de +80°C dans la stratosphère, près de 200 km au-dessus de la couche nuageuse, localisé vers 40°N et perceptible dans l'infrarouge. Une nouvelle étude révèle un autre changement contemporain à cette tempête : une baisse brutale de 10 à 12°C sur toute la bande équatoriale, dans la stratosphère. Mais plus que la température, c’est tout le régime des vents d’altitude qui a été perturbé : l’alternance des vents d’est et d’ouest dans la stratosphère.

« C’est un phénomène de dynamique atmosphérique connu sur Terre depuis les années 60, et dont on a découvert un analogue sur Saturne il y a environ 15 ans, explique Sandrine Guerlet. Dans la stratosphère terrestre, tous les 28 mois en moyenne (de 22 à 32 mois), les vents de l’équateur changent de sens. On parle d’oscillation équatoriale : cette alternance vient du fait que ces vents est-ouest superposés descendent progressivement à cause d’ondes atmosphériques générées par la troposphère. Ces ondes se propagent verticalement, et peuvent accélérer le vent ou le décélérer. Un phénomène similaire se produit sur Saturne et nous pensons que le même mécanisme en est à l'origine. En revanche, alors que l'oscillation de la stratosphère sur Terre est quasi-biennale, la période de l'oscillation équatoriale de Saturne est de 15 ans (soit une demie année de Saturne). Cette longue période rend son étude difficile, il a fallu reprendre l’ensemble des données de Cassini pour étudier cette évolution. »

La tempête de 2010-2011 sur l’hémisphère nord de Saturne, vue par Cassini. Crédit : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Le calme après la tempête

La modification brutale de la température de l’atmosphère par la tempête est un signe que l’évolution lente et douce du phénomène a été rompue. Il y a d’abord eu un changement en 2011 qui correspondait au début de la tempête. Puis en 2014, un retour à la normale avec une disparition de l’anomalie. Et en 2016, un retour au cycle normal avec une phase d’ouest qui était attendue s’il n’y avait pas eu d’anomalie. Mais pour Sandrine Guerlet, il est encore trop tôt pour dire si le cycle a été mis en pause et reprend avec du retard, ou si le cycle de 2016 a repris comme si rien ne s’était passé. Et tandis que l’oscillation équatoriale reprenait lentement son cours sur Saturne, une perturbation similaire survenait sur Terre :

« En 2016, une anomalie a affecté l’oscillation quasi-biennale de notre atmosphère, poursuit Sandrine Guerlet. Et justement cette année là, le phénomène El Niño (réchauffement local au-dessus du Pacifique sud) a été exceptionnellement fort. Il pourrait y avoir un lien entre les deux, parce que les perturbations se propagent par ondes atmosphériques. Elles transportent du moment angulaire et peuvent affecter l’atmosphère même à de grandes distances. Sur Terre, on utilise le terme de téléconnection pour qualifier ces liens à longue portée. Il y a là un parallèle intéressant à faire avec Saturne : nous avons réuni des indices qui suggèrent que la grande tempête de 2011 qui a fait rage aux moyennes latitudes nord a également fortement impacté l'oscillation équatoriale de Saturne, à des milliers kilomètres de là. Ces études sont des exemples de planétologie comparée, de météorologie dynamique entre la Terre et Saturne. »

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Oscillation équatoriale de la Terre en fonction de l’altitude jusqu’en juillet 2016. Les vents d’est sont en bleu et blanc, les vents d’ouest en vert et marron : la perturbation est visible début 2016. Source : Newman, P. A., L. Coy, S. Pawson, and L. R. Lait (2016), The anomalous change in the QBO in 2015–2016, Geophys. Res. Lett., 43, 8791–8797, doi:10.1002/ 2016GL070373.


Publication

Disruption of Saturn’s quasi-periodic equatorial oscillation by the great northern storm, Nature Astronomy 1765770 (2017) doi:10.1038/s41550-017-0271-5

Contacts

  • Sandrine Guerlet, chercheuse CNRS au Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), sandrine.guerlet at lmd.jussieu.fr
  • Francis Rocard, responsable des programmes d'exploration du Système solaire au CNES, francis.rocard at cnes.fr