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Coup de SOLEIL sur les brumes de Titan

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Une équipe de recherche internationale, portée par le Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS – UVSQ, UPMC Paris-Sorbonne, CNRS) et la ligne de lumière DESIRS, prolonge l’héritage et la portée de la mission NASA-ESA Cassini-Huygens au laboratoire. Au coeur des observations de cette mission : la géante Saturne et ses lunes glacées, et Titan en particulier, qui possède une atmosphère presque jumelle de celle de la Terre. Les scientifiques ont découvert que des grains de brumes nanométriques se forment dans la haute atmosphère de Titan, se transforment chimiquement sous l’effet du rayonnement solaire - ils vieillissent ! -  puis plongent lentement dans les couches plus profondes de l’atmosphère. Comme la brume y est présente en abondance, l’impact de ces transformations sur le climat de Titan est aujourd’hui à considérer.  Les résultats sont parus dans la revue Nature Astronomy le 9 avril 2018.

Titan, composée en majorité d’azote, est le siège d’une météo agitée : pluies, nuages et brumes photochimiques. Cette fausse jumelle possède aussi des traits bien à elle : une température glaciale de -180°C et l’absence d’oxygène et d’eau liquide. Le méthane, ce petit hydrocarbure (CH4), y est présent partout en abondance et sous ses formes à la fois liquide et gazeuse. Sous l’effet du rayonnement solaire, il réagit chimiquement avec l’azote (N2) pour former de grosses molécules organiques, précurseurs des briques élémentaires du vivant tel que nous le connaissons. À ce titre, Titan est un réacteur à ciel ouvert pour la formation de molécules prébiotiques, dont la genèse et l’évolution constituent un point central de l’astrobiologie, un champ pluri-disciplinaire qui s’intéresse à l’origine de la vie.

Des scientifiques du LATMOS et de la ligne DESIRS ont simulé expérimentalement l’atmosphère de Titan pour mieux comprendre sa chimie et répondre aux questions soulevées par les observations de la mission. Ainsi, Cassini a révélé que la chimie démarrait étonnamment haut dans l’atmosphère de Titan. Des grains solides de taille nanométrique composés de grosses molécules organiques apparaissent à plus de 1000 km d’altitude. Ces grains, en s’agglomérant les uns aux autres, grossissent, tombent dans l’atmosphère et constituent la brume photochimique orangée qui enveloppe Titan. Mais, à si haute altitude, comme sur Terre, ces grains, aussi appelées aérosols, rencontrent également le rayonnement ultra-violet (UV) très intense et peu filtré du Soleil. Que se passe-t-il pour ces grains de brume sous l’effet de ces UV énergétiques ?

Les chercheurs ont commencé par synthétiser des analogues des grains de brume de Titan (ces fameux aérosols) au laboratoire LATMOS, dans un réacteur reproduisant la chimie de l’azote et du méthane dans des proportions simulant l’atmosphère de Titan. Puis, ils ont choisi le soleil artificiel  le plus représentatif de la haute atmosphère de Titan, les photons ultra-violet délivrés par la ligne de lumière DESIRS à SOLEIL, pour irradier des films d’analogues d’aérosols dans l’UV lointain, à plusieurs longueurs d’onde.

Vue d’artiste de l’irradiation des grains de brume sur Titan par les photons UV du soleil  (figure adaptée de Waite et al. Science 2007) (c) ESA

Ils ont ensuite suivi, en fonction de la durée d’irradiation, leur signature chimique par spectroscopie infra-rouge, et en ont déduit que les grains de brume perdaient de l’hydrogène mais restaient riches en azote. Une journée sur Titan s’avère donc bien remplie ! Ces évolutions photochimiques notables pourraient expliquer les résultats apparemment contradictoires entre des mesures réalisées par différents instruments de Cassini-Huygens à haute altitude et à la surface de Titan.

Les chercheurs espèrent également qu’une nouvelle mission sera lancée prochainement vers Titan pour observer in situ ce phénomène.

 

Ce travail a bénéficié du soutien financier du conseil européen pour la recherche au travers du projet ERC-starting grant PrimChem (No. 636829).