La convection en couche permet d’expliquer l’anomalie de luminosité de Saturne

Mercredi, 24 avril 2013

Deux chercheurs du LMD (IPSL-CNRS/UPMC/École Polytechnique/ENS Paris) et du CRAL (CNRS/Université Lyon 1/ENS Lyon) viennent d’expliquer l’anomalie de luminosité infrarouge de Saturne. Leur théorie offre une alternative au modèle auparavant plébiscité qui expliquait, bien qu’en partie seulement, cet excès de luminosité infrarouge par des pluies d’hélium dans l’atmosphère de la planète aux anneaux. Cette étude pourrait servir à expliquer d’autres anomalies observées chez les planètes géantes du système solaire ou extrasolaires, elle fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Geoscience du 21 avril.


Depuis leur naissance, les planètes géantes du système solaire se refroidissent et se contractent. Elles émettent ainsi plus d’énergie qu’elles n’en reçoivent du Soleil. En appliquant les deux premiers principes de la thermodynamique, on peut déterminer le taux de refroidissement, donc l’évolution de la luminosité (c’est à dire la puissance rayonnée) et de la température d’une planète au cours du temps et ainsi expliquer les propriétés observées de nos planètes géantes. A une notable exception près ! Depuis les premières mesures effectuées vers la fin des années 60, on sait que la luminosité infrarouge de Saturne est beaucoup trop élevée pour son âge par rapport aux prédictions théoriques, défiant notre compréhension. En l’absence d’autres explications satisfaisantes, cet excès de luminosité est en général attribué à des "pluies d’hélium". En effet, sous les conditions de pressions et températures régnant au sein de la planète, l’hydrogène et l’hélium, les deux constituants essentiels de l’enveloppe gazeuse, sont supposés se séparer en deux phases inhomogènes, formant des "gouttes" riches en hélium, plus denses, qui tombent vers le centre de la planète. Ceci libère de l’énergie gravitationnelle qui produit une source de chaleur supplémentaire au sein de la planète, augmentant ainsi sa luminosité. Cependant, les calculs prenant en compte ce phénomène semblent montrer que l’effet de ces pluies d’hélium n’est pas suffisant pour expliquer totalement l’excès infrarouge de Saturne.



Pour des raisons de simplicité, cependant, tous ces modèles font l’hypothèse que le transport d’énergie de l’intérieur de la planète vers la surface se fait de manière très efficace grâce à des mouvements convectifs de grande échelle. Or, si un gradient d’éléments chimiques est présent dans l’enveloppe gazeuse, qu’il soit dû au fait que l’hélium ne se mélange pas dans l’hydrogène ou à la dissolution progressive d’un coeur riche en éléments lourds (eau, silicates, etc.), ce gradient peut générer une instabilité hydrodynamique, dite instabilité "double diffusive", qui peut considérablement ralentir la convection et réduire son efficacité. Ceci se produit par exemple sur Terre dans certaines parties des océans, où de l’eau chaude et salée se retrouve sous de l’eau froide et moins saline. L’augmentation de la densité de l’eau avec la salinité empêche la formation de mouvements verticaux de grande échelle qui devraient transporter et mélanger efficacement l’énergie et le sel. À la place, le fluide s’organise en petites couches convectives séparées par de fines interfaces diffusives où un saut en salinité et température se produit. À l’intérieur de Saturne, une telle convection en couche peut se produire, et ainsi ralentir significativement le refroidissement de la planète. Les chercheurs expliquent ainsi avec un modèle analytique soutenu par des calculs numériques pourquoi Saturne est plus chaude que prédit par les modèles standards faisant l’hypothèse de convection efficace à grande échelle au sein de la planète.

C’est une instabilité conduisant au développement d’une convection en couches au sein de Saturne qui permettrait d’expliquer son excès de luminosité, en présence ou non d’une séparation de phase hydrogène/hélium. Outre le refroidissement, ceci a des conséquences sur la détermination du profil de température interne ainsi que la quantité et la distribution des volatiles dans la planète. D’une façon générale, ces calculs permettent de mieux comprendre les mécanismes en jeu au sein des planètes géantes, solaires ou extrasolaires.

Source(s): 

Layered convection as the origin of Saturn’s luminosity anomaly, Jérémy Leconte & Gilles Chabrier, Nature Geoscience (2013)

Contact(s):
  • Jérémy Leconte, LMD/IPSL
    jeremy [dot] leconte [at] lmd [dot] jussieu [dot] fr, +1 647 895 2100
  • Gilles Chabrier, CRAL (CNRS/Université Lyon 1/ENS Lyon)
    gilles [dot] chabrier [at] ens-lyon [dot] fr, 04 72 72 87 06

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