Titan, le plus gros satellite de Saturne, est le seul satellite du système solaire à posséder une épaisse atmosphère, au sein de laquelle on peut observer une météorologie très active : évaporation depuis des lacs, formation de nuages, précipitations. Cette météorologie implique non pas l’eau mais le méthane, et dans une moindre mesure l’éthane. Comme sur la Terre, la météorologie de Titan connait des cycles saisonniers très marqués (succession d’hivers, de printemps, d’automnes et d’étés) du fait de la forte inclinaison de l’axe de rotation du satellite. En revanche, ces cycles sont beaucoup plus longs : dix fois plus éloignée du Soleil que la Terre, Titan met 29 ans pour faire le tour du Soleil quand la Terre le fait en un an. Du fait de cette course autour du Soleil, Titan connaît des saisons qui durent environ 7 ans.

Depuis la première détection d’un nuage en 1995, puis les premières images réalisées avec des télescopes terrestres et avec les instruments embarqués sur la sonde Cassini-Huygens, les scientifiques avaient une vision encore ponctuelle et partielle de la couverture nuageuse de Titan****.
Avec les observations de VIMS, entre juillet 2004, date de l’arrivée de la sonde Cassini en orbite autour de Saturne, et décembre 2007, le seul modèle climatique prédisant la distribution nuageuse de Titan  se voit confirmé. La circulation atmosphérique globale (i.e. à l’échelle du satellite) joue un rôle primordial dans l’apparition et la répartition des nuages. Dans l’hémisphère d’été, des nuages de méthane se forment à proximité du pôle et autour de 40° de latitude : ils sont le résultat du réchauffement saisonnier de la surface de Titan, suffisant pour permettre une forte évaporation du méthane. L’élévation de cet air chargé en méthane est canalisée par la circulation générale de l’atmosphère, formant ainsi sporadiquement des nuages par condensation à des latitudes bien délimitées. Dans l’hémisphère d’hiver, la circulation générale dicte aussi la formation de nuages. La couverture nuageuse y est en revanche d’une nature différente : au delà de 60° de latitude, la branche de la circulation d’air, descendante cette fois-ci, apporte en continu de l’éthane depuis la haute atmosphère, qui se condense pour former des nuages plus bas (au niveau de régions plus froides). Tout au long de la période d’étude, entre 2004 et 2007, les observations de VIMS confirment ainsi le modèle climatique, aussi bien dans l’hémisphère sud (été) que nord (hiver).

Si la répartition géographique des nuages est très bien prédite, en revanche l’évolution de la couverture nuageuse dans le temps est moins bien comprise.  En effet, le modèle de climat prévoit la disparition des nuages de l’hémisphère sud (au pôle et à 40°S) avec le basculement de la circulation atmosphérique lors de l'équinoxe, au mois d’août 2009, puis leur réapparition dans l’hémisphère nord (de façon symétrique, au pôle et à 40°N) à la saison opposée, à partir de 2014. Selon ce modèle, les nuages de l’hémisphère sud auraient même déjà dû disparaître progressivement depuis 2005, alors que l’automne, normalement plus froid et aride, approche. Or, ce n'est pas ce qui est observé en réalité. Les auteurs de l’étude montrent que des nuages apparaissent encore de façon régulière au cours de l’année 2007, laissant à penser que l’hémisphère sud connait une fin d’été plus chaude et humide que ce qui était prédit. Cette différence avec les modèles climatiques semble indiquer une inertie du système climatique de Titan plus importante que prédite, peut-être liée à l'inertie thermique de sa surface qui resterait encore suffisamment chaude pour continuer d’évaporer du méthane et former des nuages alors que l’éclairement du soleil diminue.

D’autres observations par la sonde Cassini, dont on espère prolonger la mission jusqu’en 2017, pourraient s’avérer cruciales car elles vont permettre de suivre l'évolution de la couverture nuageuse au moment du basculement de la circulation lors de l'équinoxe. Le suivi et la cartographie des nuages à cette période sera un révélateur de la circulation atmosphérique dans une période de changement rapide, et fournira des indications précieuses sur la dynamique du système atmosphérique de Titan.
L’ensemble de ces observations devraient permettre d’améliorer les modèles de circulation atmosphérique de Titan, et aideront, de façon générale, à mieux comprendre comment fonctionne une atmosphère planétaire, y compris  celle de la Terre.


Référence : “ Global circulation as the main source of cloud activity on Titan”, S. Rodriguez , S. Le Mouélic , P. Rannou , C. Sotin, G. Tobie , J.W. Barnes, C.A. Griffith, M. Hirtzig, K.M. Pitman, R.H. Brown, K.H. Baines, B.J. Buratti, R.N. Clark, P.D. Nicholson, Nature, June 2009.



Figure 1 - Cartes globales des détections de nuages par VIMS durant la période juillet 2004 - décembre 2007, présentées en projection cylindrique (haut) et en projections polaires (bas). Les nuages se répartissent en trois zones bien distinctes, autour des deux régions polaires, et sur une bande centrée autour de la latitude 40°S. La carte de fond a été réalisée par l’instrument VIMS de Cassini. © NASA/JPL/Université d'Arizona/Université de Nantes
 

Figure 2 – Nuage imagé par VIMS le 26 mars 2007 lors d’un survol de Titan par Cassini (on observe encore l’activité nuageuse au pôle Sud alors que l’on s’attendrait à la voir disparaître). © NASA/JPL/Université d'Arizona/Université de Nantes

 

Pour aller plus loin

• L'article "Fin d'été très nuageuse sur Titan" sur le site de l'Institut de recherche des lois fondamentales de l'Univers pour en savoir plus sur cette étude et visionner l'animation représentant "la mécanique du climat sur Titan".
  

• Notre dossier spécial "Année mondiale de l'astronomie", pour tout connaitre des activités de recherches du CEA dans le domaine de l'astrophysique et de l'étude de l'Univers.

*Laboratoire Astrophysique, Interactions, Multi-échelles (AIM), UMR 7158, Université Paris Diderot, CNRS, CEA/Irfu ;
Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes, CNRS/Université de Nantes ;
Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, CNRS/Université Reims Champagne-Ardenne.
**VIMS : Visual and Infrared Mapping Spectrometer.
***La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale conjointe des agences spatiales américaine (NASA), européenne (ESA) et italienne (ASI).
****Voir communiqué de presse INSU-CNRS du 12/01/2006 : http://www.insu.cnrs.fr/a1651,prevision-climatique-titan-temps-brumeux-nuageux.html .



Communiqué commun CEA/CNRS./Université Paris Diderot/Université de Nantes/Université Reims Champagne Ardenne