(Cliquez pour l'animation) Dans certaines conditions expérimentales, et sur Jupiter, les tempêtes cycloniques se repoussent, plutôt que de fusionner. Crédit : Institut de technologie de Californie
Au pôle sud de Jupiter se cache un spectacle saisissant, même pour une planète géante gazeuse couverte de bandes colorées qui arbore une tache rouge plus grande que la terre. Près du pôle sud de la planète, pour la plupart cachés des regards indiscrets des humains, est une collection de tempêtes tourbillonnantes disposées selon un motif géométrique inhabituel.
Depuis qu'ils ont été repérés pour la première fois par la sonde spatiale Juno de la NASA en 2019, les tempêtes ont présenté quelque chose d'un mystère aux scientifiques. Les tempêtes sont analogues aux ouragans sur Terre. Cependant, sur notre planète, les ouragans ne se rassemblent pas aux pôles et virevoltent les uns autour des autres en forme de pentagone ou d'hexagone, tout comme les curieux orages de Jupiter.
Maintenant, une équipe de recherche travaillant dans le laboratoire d'Andy Ingersoll, professeur Caltech de science planétaire, a découvert pourquoi les tempêtes de Jupiter se comportent si étrangement. Ils l'ont fait en utilisant des mathématiques dérivées d'une preuve écrite par Lord Kelvin, un physicien mathématicien et ingénieur britannique, il y a près de 150 ans.
Ingersoll, qui faisait partie de l'équipe Juno, dit que les tempêtes de Jupiter sont remarquablement similaires à celles qui frappent la côte est des États-Unis chaque été et automne, juste à une échelle beaucoup plus grande.
"Si tu allais au-dessous des sommets des nuages, vous trouverez probablement des gouttes de pluie d'eau liquide, grêle, et de la neige, " dit-il. " Les vents seraient des vents de force ouragan. Les ouragans sur Terre sont un bon analogue des tourbillons individuels au sein de ces arrangements que nous voyons sur Jupiter, mais il n'y a rien d'aussi incroyablement beau ici."
Comme sur Terre, Les tempêtes de Jupiter ont tendance à se former plus près de l'équateur puis à dériver vers les pôles. Cependant, Les ouragans et les typhons de la Terre se dissipent avant qu'ils ne s'aventurent trop loin de l'équateur. Jupiter continue jusqu'à ce qu'il atteigne les pôles.
"La différence est que sur la terre, les ouragans manquent d'eau chaude et se dirigent vers les continents, " dit Ingersoll. Jupiter n'a pas de terre, "donc il y a beaucoup moins de friction parce qu'il n'y a rien contre quoi se frotter. Il y a juste plus de gaz sous les nuages. Jupiter a aussi de la chaleur de sa formation qui est comparable à la chaleur qu'il reçoit du soleil, donc la différence de température entre son équateur et ses pôles n'est pas aussi grande que sur Terre."
Cependant, Ingersoll dit, cette explication ne rend toujours pas compte du comportement des tempêtes une fois qu'elles atteignent le pôle sud de Jupiter, ce qui est inhabituel même par rapport aux autres géantes gazeuses. Saturne, qui est aussi une géante gazeuse, a une énorme tempête à chacun de ses pôles, plutôt qu'une collection de tempêtes disposées géométriquement.
(Cliquez pour l'animation) Dans certaines conditions simulées, et sur Saturne, les tempêtes cycloniques se confondent au lieu de se repousser Crédit :California Institute of Technology
La réponse au mystère de pourquoi Jupiter a ces formations géométriques et d'autres planètes n'en ont pas, Ingersoll et ses collègues ont découvert, pourrait être trouvé dans le passé, spécifiquement dans les travaux menés en 1878 par Alfred Mayer, un physicien américain, et Lord Kelvin. Mayer avait placé des aimants circulaires flottants dans un bassin d'eau et avait observé qu'ils s'arrangeaient spontanément en configurations géométriques, semblables à ceux vus sur Jupiter, avec des formes qui dépendaient du nombre d'aimants. Kelvin a utilisé les observations de Mayer pour développer un modèle mathématique pour expliquer le comportement des aimants.
« Au XIXe siècle, les gens pensaient à la façon dont des morceaux de fluide en rotation s'organiseraient en polygones, " Ingersoll dit. " Bien qu'il y ait eu beaucoup d'études en laboratoire de ces polygones fluides, personne n'avait pensé à appliquer cela à une surface planétaire."
Faire cela, l'équipe de recherche a utilisé un ensemble d'équations connues sous le nom d'équations des eaux peu profondes pour construire un modèle informatique de ce qui pourrait se passer sur Jupiter, et a commencé à exécuter des simulations.
"Nous voulions explorer la combinaison de paramètres qui rend ces cyclones stables, " dit Cheng Li (Phd '17), auteur principal et 51 boursier postdoctoral Pegasi b à l'UC Berkeley. "Il existe des théories établies qui prédisent que les cyclones ont tendance à fusionner au pôle en raison de la rotation de la planète et c'est ce que nous avons trouvé lors des premiers essais."
Finalement, cependant, l'équipe a découvert qu'un arrangement géométrique stable de tempêtes semblable à Jupiter se formerait si les tempêtes étaient chacune entourées d'un anneau de vents qui tournaient dans la direction opposée aux tempêtes en rotation, ou un anneau dit anticyclonique. La présence d'anneaux anticycloniques fait que les orages se repoussent, plutôt que de fusionner.
Les orages se sont rassemblés au pôle sud de Jupiter, comme imagé par la sonde Juno. Crédit :NASA-JPL/Caltech
Ingersoll dit que la recherche pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre le comportement de la météo sur Terre.
"Les autres planètes offrent un éventail de comportements beaucoup plus large que ce que vous voyez sur Terre, " il dit, « Alors vous étudiez la météo sur d'autres planètes afin de tester vos théories. »
Le papier, titré, "Modélisation de la stabilité des motifs polygonaux des vortex aux pôles de Jupiter révélés par le vaisseau spatial Juno, " apparaît dans le numéro du 8 septembre du Actes de l'Académie nationale des sciences.
