La composition des mers de la surface de Titan pourrait être influencée par leur connexion à un labyrinthe de lacs souterrains

Monday, 1 September 2014

En 2007, les images prises par la sonde Huygens de l'ESA ont montré de vastes étendues liquides sur la surface glacée de Titan, essentiellement concentrées dans les régions polaires. Ces lacs ne sont pas remplis d’eau mais d’hydrocarbures, formes de composés organiques qui se trouvent aussi naturellement sur Terre, et dont l’origine sur Titan provient essentiellement des précipitations associées à la présence de nuages dans son atmosphère.

En raison de sa morphologie changeante, les astronomes suspectent que la croûte de Titan est poreuse et contient une quantité importante d’hydrocarbures liquides. Cependant, le cycle des hydrocarbures de Titan, qui relie leur présence dans son sous-sol et sa surface à leur émission atmosphérique, demeure encore relativement méconnu.

Une nouvelle étude pilotée par Olivier Mousis, enseignant chercheur de l’Université de Franche-Comté travaillant au laboratoire CNRS Univers, transport, interfaces, nanostructures, atmosphère et environnement, molécules (UTINAM), a consisté à modéliser les interactions possibles entre les mers de Titan et le réseau de lacs souterrains, nommés alcanofères (aquifères remplis d’alcanes), auxquels celles-ci pourraient être reliées. L’étude a été réalisée en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Cornell et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA aux États-Unis.


Il était connu qu'une fraction significative des lacs à la surface de Titan pouvait éventuellement être reliée à un corps caché de liquides sous la croûte de Titan. Mais on ne savait pas comment ils pouvaient interagir. La modélisation détaillée du sous-sol de cette lune permet de mieux comprendre comment ces réservoirs cachés peuvent interagir avec les lacs et les mers en surface.

Mousis et ses collègues ont étudié comment un réservoir souterrain d'hydrocarbures liquides diffuse à travers une couche de glace poreuse. Cette diffusion pourrait induire la formation d’un autre réservoir, cette fois composé de clathrates, au sein de la croûte poreuse.

Les clathrates sont des composés dans lesquels l'eau adopte une structure cristalline qui forme de petites cages pouvant piéger des molécules telles que le méthane et l'éthane qui s’y stabilisent.

Sur Titan, la pression et la température de surface permettent à des clathrates de se former lorsque des hydrocarbures liquides entrent en contact avec la glace d'eau, un des composants principaux de la croûte de la lune. Ces clathrates pourraient rester stables jusqu’à plusieurs kilomètres sous le niveau de la surface.


Vue schématique du modèle. L'alcanofère et la couche de clathrates sont supposés communiquer et former un système isolé qui occupe l'espace poreux de la croûte glacée de Titan. La couche de clathrates s'étend au fil du temps au détriment de l'alcanofère. Le transfert progressif et le fractionnement des molécules présentes dans le réservoir liquide initial modifient progressivement la composition chimique de l'alcanofère et des lacs reliés qui sont présents en surface. Porous icy crust : croute glacée poreuse / Alkanofer in porous icy crust : alcanofère dans la croût glacée / Expanding clathrate layer in porous icy crust : couche de clathrates en expansion / Non-porous icy crust : croûte glacée non-poreuse. © ESA/ATG medialab

Une des propriétés intéressantes des clathrates est qu'ils induisent un fractionnement – les quantités d’hydrocarbures emprisonnées dans la phase solide ne sont pas les mêmes que celles dans la phase liquide. Pour cette raison, les astronomes ont suggéré que les clathrates pourraient être responsables de plusieurs phénomènes inhabituels sur Titan, incluant la faible abondance des gaz rares dans l'atmosphère de la lune, et le fait que les pôles de Titan soient particulièrement aplatis.

Les lacs souterrains de Titan interagiraient avec le réservoir de clathrates qui fractionnerait progressivement la phase liquide initiale et changerait lentement sa composition. Les lacs souterrains qui ont été en contact avec la couche de clathrates seraient principalement composés de propane ou d'éthane, selon le type de clathrate qui s'est formé.

Ce phénomène devrait être visible depuis la surface de Titan. Les lacs alimentés par les réservoirs souterrains montreraient le même genre de composition, tandis que ceux nourris par les pluies seraient différents, contenant du méthane, de l'azote, ainsi que des traces d'argon et de monoxyde de carbone. Cela signifie que si nous sommes en mesure de mesurer la composition des lacs en surface, nous pourrions savoir ce qui se passe sous terre.

Cette étude nous apporte une meilleure compréhension de la façon dont les liquides de Titan interagissent et se déplacent autour de la surface et l'intérieur de la lune. La mission de Cassini Solstice, une extension de Cassini qui court jusqu'en 2017, aura l'occasion d'explorer encore plus étroitement les lacs de surface de Titan en effectuant d’ici là 54 survols rapprochés de la lune de Saturne.

Source(s): 

Equilibrium composition between liquid and clathrate reservoirs on Titan, Olivier Mousis a,b, Mathieu Choukroun c, Jonathan I. Lunine b, Christophe Sotin c, Icarus, volume 239, 1 September 2014, pages 39-45.

a Université de Franche-Comté, Institut UTINAM, CNRS/INSU, UMR 6213, Besançon Cedex, France

b Center for Radiophysics and Space Research, Space Sciences Building, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA

c Jet Propulsion Laboratory, Caltech, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA 91109, USA

 

Contacts chercheur :

  • Olivier Mousis (Université de Franche-Comté)  l  03 81 66 69 21  l  06 60 85 33 92  olivier [dot] mousis [at] obs-besancon [dot] fr