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Le Système Solaire :les planètes géanteset les mondes glacés

Alain Doressoundiram

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Les planètes géantes : Jupiter

R (1 bar) = 71490 km D=5.2 UA Période orbitale = 11.9 ans Masse = 318 Terre Température au niveau de

pression de 1 bar = -106°C Pesanteur = 24 (Terre=10) Structure en bandes Nuages blancs et ocres

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Saturne

R (1 bar) = 60700 km D=9.5 UA Période orbitale = 29.5 ans Masse = 95 Terre Température au niveau de

pression de 1 bar = -135°C Pesanteur = 10 (Terre=10) Bandes Aplatie (10 %) !! Peu dense (0.69!!)

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Uranus

R (1 bar) = 25560 km D=19.2 UA Période orbitale = 84 ans Masse = 14.5 Terre Température au niveau de

pression de 1 bar = -194°C Pesanteur = 8 (Terre=10) Peu de nuages , mais…

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Neptune

R (1 bar) = 24760 km D=30.1 UA Période orbitale = 165 ans Masse = 17.2 Terre Température au niveau de

pression de 1 bar = -203°C Pesanteur = 11 (Terre=10) Nuages sombres et blancs,

variables

102

435

-200

-100

Température(degrés Celsius)

Distance au Soleil(milliards de km)

0H20condense

NH4SHcondense

NH3condense

CH4condense

Couleurs,températures et

nuages

Couleur d’Uranus et Neptune: liée à l’abondance de méthane

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CompositionVitesse de libération

1,64

1,32

0,69

1,33

Densité

16h07m3,881730,11Neptune

17h14m4,011419,22Uranus

10h14m9,4595 9,55Saturne

9h50m11,2318 5,20 Jupiter

Rotationpropre

Rayon(Terre)

Masse (Terre)

Distance au Soleil

(UA)

planète

Caractéristiques propres à cette classe (taille, densité, rotation…) 2 sous-groupes : Jupiter et Saturne, Uranus et Neptune

→ J et S : énorme atmosphère: composition principale (H2 et He) qui rappelle celle de la nébuleuse primitive

NB: vitesse thermique de H2 = 1-3 km/s

→ U et N : 60 à 70% masse contenue dans le coeur solide

Les quatre planetes geantes

Glaces et roches,H2, He

Glaces et roches, H2, He

H2,He en majorité

H2,He en majorité

24 km/s

21 km/s

35 km/s

60 km/s

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Composition atmosphérique des planetes geantes

Hydrogène, helium Atmosphère sous les nuages

CH4, NH3, H2O, H2S: Equilibre thermochimiquedu carbone favorise CH4 par rapport à CO

Atmosphère au dessus des nuages Hydrocarbures produits par laPhotochimie du méthane:CH4 + photon CH3 + HCH3+CH3 C2H6 etc… Source externe d’oxygène et d’eau

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Dynamique de l’atmosphère jovienne

Rotation rapide (J: 10h, 12km/s à l’équateur). donne la structure en bandes et zones de l’atmosphère sur Jupiter. Mouvements convectifs avec les zones claires (ascendants) et

ceintures sombres (descendants). Beaucoup de structures dynamiques à plus petite échelle et de durée

de vie variable.

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La famille « Tache Rouge » s’aggrandit

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Météorologie Des vents

violents, qui décroissent avec la latitude

Jupiter: vents forts même en profondeur (175 m/s à 20 bar!)

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Orages joviens au clair de Io

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Energie interne

Origine: Refroidissement depuis la contraction initiale Chute de l’hélium

Conséquences: Maintien d’une météorologie active en profondeur

(vents horizontaux, convection verticale)

Jupiter Saturne Uranus NeptuneTempérature à l’éq.(K) 110 82 58 48 Température effective (K) 124 95 59 70Flux émis/flux absorbé 1.67 1.78 1.06 2.52

NB: * Température à l’équilibre calculée à partir de Flux solaire reçu – Flux solaire réfléchi vers l’espace * Température effective calculée à partir du flux planétaire réellement mesuré

L es p lanèt es géant es émet t ent p lus d’éner gie qu’elles n’en r eçoivent du S oleil !!

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Structure interne

Enveloppe externe : hydrogène moléculaire puis métallique (J. et S.)

Présence au cœur d’un mélange de roches et de glace

Selon les modèles formation par accrétion de condensables puis attraction de la nébuleuse environnante

Phase de contraction

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Les satellites des planètes géantes

Terre Vénus Mars Ganymède Titan Mercure CallistoIo lune Europe Triton Pluton

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Satellites Galiléens

Age de la surfaceDistance à JupiterDensité diminue

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Les surfaces glacées

Composition des surfaces : mélange de glace d’eau et de roches

Observation d’une activité tectonique et/ou volcanique sur Europe et Ganymède

Quelle source d’énergie?

Europe Ganymède Callisto

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Un océan sous la glace? Europe (comme les autres satellites galiléens) est différencié

Sous la surface : de la glace molle ou de l ’eau liquide

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Io

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Io, la volcanique

• Composition de la surface et du volcanisme : soufre et silicate

• Plusieurs centaines de volcans actifs à la surface Quelle source d’énergie? Production d’une atmosphère ténue (1 nanobar), hétérogène, de SO2, S2 et NaCl

Io est l’objet le plus volcanique du système solaire

Avril 97 Septembre 97 Juillet 99

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Les panaches volcaniques

Ra

Prometheus

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Volcanisme explosif (Tvashtar)

• Observation d’une fontaine de lave (SO2)

• Aucun cratère d’impact quelle que soit la résolution des images

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Effet du volcanisme explosif à grande échelle: Tvashtar

1999 2000

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Diversité des couleurs sur Io• Le gaz émis par le volcanisme : à base de S2

• Condense à la surface sous forme de S3 : couleur rouge

• S3 se transforme en S8 : couleur jaune

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Source d’énergie: effet de marée

La dissipation de l’énergie des marées : chauffage de l’intérieur des satellites

• Mais …. les satellites sont bloqués en rotation: toujours le même hémisphère vers Jupiter

C’est l’excentricité des orbites qui apporte l’énergie

• L’excentricité diminue en raison des forces de marée

Mais les résonances entre les satellites excitent leur excentricité (Io par Europe; Europe par Ganymède…)

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Le système saturnien

Mimas

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Seul satellite à posséder une atmosphère épaisse (1,5 bar)

90% N2, CH4, hydrocarbures (éthane…), nitriles (HCN, CH3CN…)

Photochimie couplée azote-méthane Origine de l’azote? NH3 primordial? Brumes stratosphériques Surface hétérogène Reservoir de méthane : lacs? Nuages

Titan

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L ’atmosphère de Titan

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Comment la voir?

La surface de TitanComment la voir?

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Objectif Titan

14 janvier 2005: atterrissage de la sonde Huygens

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Les nuages de Titan

Pôle Sud Latitudes moyennes Sud (CH4) (CH4)

Hautes latitudes Nord (C2H6)

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La surface de Titan vue par Huygens

09/11/05 CNFA

Mosa•que 17-8 km : rŽseau ÒfluviatileÓ

¥ Altitude : 8 km¥ Couverture : environ 20 km

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Sources et puits de méthane sur Titan

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Triton: un monde glacé

T=38 KAtmosphère, p= 14 microbarsDynamique! (geysers, stries)Réchauffement en cours?Un objet capturé ?

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Les anneauxJupiter

Saturne

Uranus

Neptune

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Les anneaux de Saturne 270000 km d’extension et

~10m d’épaisseur locale! Présence de « trous » qui

s’expliquent par le jeu des résonances orbitales avec les satellites

Division de Cassini : résonance 2:1 avec Mimas

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Les anneaux : origineLes quatre planètes géantes possèdent des anneauxApplication de la troisième loi de Kepler :

→Les anneaux ne peuvent exister sous forme d’un disque continu

→Particules rocheuses ou glacées du millimètre au mètre

Origine:→Limite de Roche : distance à l’intérieur de laquelle une

planète brise les gros satellites par effet de marée

→Erosion de satellites et météorites