L'atmosphère de Saturne
L'atmosphère de Saturne est composée d'environ 96 % d'hydrogène et 3 % d'hélium en volume, avec un peu de méthane, d'ammoniac, de phosphine et d'autres gaz. Elle s'organise en trois grandes couches de nuages, de glace d'ammoniac, d'hydrosulfure d'ammonium et d'eau, dissimulées sous une brume photochimique d'altitude. Ses vents comptent parmi les plus rapides du Système solaire et atteignent environ 1 800 km/h à l'équateur.
Sommaire
De quoi est faite l'atmosphère de Saturne
L'air de Saturne ressemble beaucoup, par sa composition, au Soleil et au nuage de gaz dont sont nées les planètes, à une exception près. En nombre de molécules, il contient à peu près :
| Gaz | Part approximative en volume |
|---|---|
| Hydrogène moléculaire (H₂) | 96 % |
| Hélium (He) | 3 % |
| Méthane (CH₄) | 0,4 à 0,5 % |
| Ammoniac (NH₃) | environ 0,01 % au sommet des nuages, davantage en dessous |
| Deutérure d'hydrogène (HD) | environ 0,01 % |
| Éthane, acétylène, phosphine et autres | traces |
L'exception, c'est l'hélium. La haute atmosphère de Saturne en contient nettement moins que le Soleil, même si les estimations ont beaucoup varié entre Voyager, Cassini et les observations au sol. L'explication privilégiée : en profondeur, l'hélium se sépare de l'hydrogène et tombe en gouttelettes, appauvrissant les couches externes. Cette « pluie d'hélium » contribue aussi à expliquer pourquoi Saturne émet environ 2,5 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. Voir la structure interne.
Le méthane, à l'inverse, est environ dix fois plus abondant que dans les proportions solaires, indice que le noyau de Saturne a capté et brassé beaucoup de glaces et de roches lors de sa formation. Des gaz traces comme la phosphine, l'arsine ou le germane, instables au sommet des nuages, sont remontés des profondeurs chaudes par la convection et servent de traceurs des mouvements verticaux.
Trois étages de nuages
Saturne n'ayant pas de surface, on mesure les altitudes à partir du niveau où la pression vaut 1 bar. La chimie prévoit trois couches principales de nuages, chacune se formant là où la température permet à un composé de se condenser :
- La glace d'ammoniac, l'étage visible, entre 0,5 et 2 bars environ, vers -150 °C.
- L'hydrosulfure d'ammonium (NH₄SH), issu de la réaction de l'ammoniac avec le sulfure d'hydrogène, vers 4 à 5 bars.
- La glace d'eau et les gouttelettes d'eau liquide, les plus profondes, vers 10 à 20 bars, où la température approche puis dépasse 0 °C.
Ces profondeurs sont des estimations de modèles : seule la couche supérieure est observée directement, avec parfois un aperçu de matériaux plus profonds soulevés par les tempêtes. Par rapport à Jupiter, les nuages de Saturne sont situés plus bas et étalés sur une plus grande hauteur. Saturne est plus froide, si bien que chaque composé se condense plus profondément, et sa gravité plus faible étire l'atmosphère à la verticale. C'est l'une des raisons pour lesquelles Saturne paraît si terne à côté de Jupiter.
La brume, un voile sur les nuages
Au-dessus des nuages d'ammoniac s'étend une couche de brume qui estompe les détails. Dans la stratosphère, le rayonnement ultraviolet du Soleil brise les molécules de méthane, dont les fragments se recombinent en éthane, acétylène, propane et hydrocarbures plus lourds, dont certains se condensent en fines particules. Près des pôles, où l'énergie des aurores s'ajoute à cette chimie, Cassini a trouvé une brume plus épaisse et des molécules comme le benzène.
Cette brume s'épaissit et s'amincit au fil des saisons. Pendant l'hiver boréal, l'hémisphère Nord plongé dans l'ombre produisait moins de brume et paraissait bleuté ; avec le printemps, il est redevenu doré. Ce cycle saisonnier est la clé de la couleur de Saturne. De la matière arrive aussi de l'extérieur : lors du Grand Final, Cassini a mesuré de l'eau, du méthane, de l'ammoniac et des composés organiques tombant des anneaux dans la haute atmosphère, le phénomène de la pluie des anneaux.
Le profil de température
La température baisse avec l'altitude dans la troposphère : bien au-dessus de zéro dans la région des nuages d'eau, environ -140 °C à 1 bar, et un minimum d'environ -190 °C à la tropopause, vers 0,1 bar. Plus haut, dans la stratosphère, l'absorption du rayonnement solaire par le méthane et la brume réchauffe de nouveau le gaz. Plus haut encore, la thermosphère est bien plus chaude que ce que le seul Soleil permet d'expliquer, avec plusieurs centaines de degrés, une énigme que Cassini a largement attribuée au chauffage auroral qui se propage depuis les pôles. Détails à la page température de Saturne.
Vents et courants-jets
L'atmosphère de Saturne est découpée en bandes alternées de jets soufflant vers l'est et vers l'ouest, comme sur Jupiter, mais moins nombreux, plus larges et plus rapides. L'élément dominant est un immense jet équatorial dirigé vers l'est, qui couvre environ 35° de part et d'autre de l'équateur et culmine vers 500 m/s, soit 1 800 km/h. Sur Terre, les courants-jets les plus forts dépassent rarement 400 km/h.
Ces vitesses sont mesurées par rapport à la rotation supposée de la planète. Adopter la durée du jour révisée de 10 h 33 min abaisse un peu la valeur équatoriale et rend les jets plus symétriques, sans les rendre ordinaires pour autant. Les mesures dépendent aussi de l'altitude : Cassini a trouvé des vents équatoriaux plus rapides au cœur des nuages que plus haut.
Jusqu'où descendent ces vents ? Les mesures de gravité du Grand Final, publiées en 2019, ont montré qu'ils pénètrent jusqu'à environ 9 000 km sous le sommet des nuages, bien plus profondément que sur Jupiter (environ 3 000 km). En dessous, l'intérieur, de plus en plus conducteur, semble tourner presque d'un seul bloc.
Aux hautes latitudes, les jets prennent des formes plus étranges, à commencer par l'hexagone à six côtés, vers 78° de latitude nord. L'énergie libérée par la condensation de l'eau dans les panaches ascendants alimente les tempêtes, des simples orages aux éruptions géantes qui font le tour de la planète.
Saisons et ombre des anneaux
Avec une inclinaison de 26,73°, Saturne connaît des saisons d'environ 7,4 ans. Les anneaux y ajoutent leur grain de sel : en hiver, ils projettent une large ombre sur l'hémisphère opposé au Soleil, ce qui refroidit la haute atmosphère et modifie la production de brume. Arrivée en plein hiver boréal en 2004 et restée jusqu'à peu après le solstice d'été boréal de 2017, Cassini a suivi ces changements pendant près d'une demi-année saturnienne.
Questions fréquentes
De quoi est composée l'atmosphère de Saturne ?
D'environ 96 % d'hydrogène et 3 % d'hélium en volume, avec 0,4 % de méthane environ et des traces d'ammoniac, de deutérure d'hydrogène, d'éthane, de phosphine et d'autres composés.
Peut-on respirer sur Saturne ?
Non. Il n'y a pas d'oxygène libre, il fait environ -140 °C au sommet des nuages, les vents atteignent des centaines de mètres par seconde et la pression devient écrasante en profondeur. Il n'y a pas non plus de sol où se tenir.
Pourquoi l'atmosphère de Saturne est-elle moins colorée que celle de Jupiter ?
Les nuages de Saturne sont plus profonds et recouverts d'une brume plus épaisse, car la planète est plus froide et sa gravité plus faible. Cette brume atténue les contrastes entre les bandes.
Y a-t-il une météo sur Saturne ?
Oui. Saturne a des courants-jets, des tourbillons polaires, des orages accompagnés d'éclairs et, environ une fois par année saturnienne, une tempête géante capable de faire le tour d'un hémisphère.
Sources
- NASA Science : Saturn
- Iess, L. et al. (2019), « Measurement and implications of Saturn's gravity field and ring mass », Science 364
- Baines, K. H., Flasar, F. M., Krupp, N., Stallard, T. (dir.) (2018), Saturn in the 21st Century, Cambridge University Press
- Waite, J. H. et al. (2018), « Chemical interactions between Saturn's atmosphere and its rings », Science 362