Figure 1 :(à gauche) les nuages inférieurs de Vénus observés avec la caméra Akatsuki IR2 (après le processus d'accentuation des bords). Les parties claires montrent où la couverture nuageuse est mince. Vous pouvez voir la structure des stries à l'échelle planétaire dans les lignes pointillées jaunes. (à droite) La structure des stries à l'échelle planétaire reconstruite par les simulations AFES-Venus. Les parties lumineuses montrent un fort courant descendant. Crédit: Communication Nature . CC BY 4.0
Un groupe de recherche japonais a identifié une structure de stries géantes parmi les nuages recouvrant la planète Vénus sur la base de l'observation du vaisseau spatial Akatsuki. L'équipe a également révélé les origines de cette structure à l'aide de simulations climatiques à grande échelle. Le groupe était dirigé par le professeur assistant de projet Hiroki Kashimura (Université de Kobe, Graduate School of Science) et ces résultats ont été publiés le 9 janvier dans Communication Nature .
Vénus est souvent appelée la jumelle de la Terre en raison de sa taille et de sa gravité similaires, mais le climat sur Vénus est très différent. Vénus tourne dans le sens opposé à la Terre, et beaucoup plus lentement (environ une rotation pour 243 jours terrestres). Pendant ce temps, à environ 60 km au-dessus de la surface de Vénus, un vent d'est rapide fait le tour de la planète en environ 4 jours terrestres (à 360 km/h), un phénomène connu sous le nom de superrotation atmosphérique.
Le ciel de Vénus est entièrement recouvert d'épais nuages d'acide sulfurique situés à une hauteur de 45-70 km, ce qui rend difficile l'observation de la surface de la planète à partir de télescopes terrestres et d'orbiteurs tournant autour de Vénus. Les températures de surface atteignent 460 degrés Celsius, un environnement sévère pour toute observation par sondes d'entrée. En raison de ces conditions, il existe encore de nombreuses inconnues concernant les phénomènes atmosphériques de Vénus.
Pour résoudre le puzzle de l'atmosphère de Vénus, le vaisseau spatial japonais Akatsuki a commencé son orbite autour de Vénus en décembre 2015. L'un des instruments d'observation d'Akatsuki est une caméra infrarouge "IR2" qui mesure des longueurs d'onde de 2 m (0,002 mm). Cette caméra peut capturer la morphologie détaillée des nuages des niveaux inférieurs des nuages, à environ 50 km de la surface. Les rayons optiques et ultraviolets sont bloqués par les couches nuageuses supérieures, mais grâce à la technologie infrarouge, les structures dynamiques des nuages inférieurs se révèlent progressivement.
Avant le début de la mission Akatsuki, l'équipe de recherche a développé un programme appelé AFES-Venus pour calculer des simulations de l'atmosphère de Vénus. Sur Terre, les phénomènes atmosphériques à toutes les échelles sont recherchés et prédits à l'aide de simulations numériques, des prévisions météorologiques quotidiennes et des rapports sur les typhons aux changements climatiques anticipés résultant du réchauffement de la planète. Pour Vénus, la difficulté d'observation rend les simulations numériques encore plus importantes, mais ce même problème rend également difficile la confirmation de l'exactitude des simulations.
Figure 2 :Le mécanisme de formation de la structure striée à l'échelle planétaire. Les vortex géants provoqués par les vagues de Rossby (à gauche) sont inclinés par les courants-jets des hautes latitudes et s'étirent (à droite). Dans les tourbillons étirés, la zone de convergence de la structure en stries est formée, un flux descendant se produit, et les nuages inférieurs deviennent minces. Vénus tourne vers l'ouest, les courants-jets soufflent donc aussi vers l'ouest. Crédit :Université de Kobe
AFES-Vénus avait déjà réussi à reproduire les vents superrotationnels et les structures de température polaire de l'atmosphère de Vénus. En utilisant Earth Simulator, un système de supercalculateur fourni par l'Agence japonaise pour les sciences et technologies marines et terrestres (JAMSTEC), l'équipe de recherche a créé des simulations numériques à haute résolution spatiale. Cependant, en raison de la faible qualité des données d'observation avant l'Akatsuki, il était difficile de prouver si ces simulations étaient des reconstructions précises.
Cette étude a comparé les données d'observation détaillées des niveaux inférieurs des nuages de Vénus prises par la caméra IR2 d'Akatsuki avec les simulations haute résolution du programme AFES-Venus. La partie gauche de la figure 1 montre les niveaux de nuages inférieurs de Vénus capturés par la caméra IR2. Notez les stries géantes presque symétriques à travers les hémisphères nord et sud. Chaque ligne mesure des centaines de kilomètres de large et s'étend en diagonale sur près de 10, 000 kilomètres de diamètre. Ce motif a été révélé pour la première fois par la caméra IR2, et l'équipe l'a nommé une structure striée à l'échelle planétaire. Cette échelle de structure de stries n'a jamais été observée sur Terre, et pourrait être un phénomène unique à Vénus. A l'aide des simulations haute résolution AFES-Venus, l'équipe a reconstruit le motif (Figure 1 à droite). La similitude entre cette structure et les observations de la caméra prouve la précision des simulations AFES-Venus.
Prochain, grâce à des analyses détaillées des résultats de la simulation AFES-Venus, l'équipe a révélé l'origine de cette structure à stries géantes. La clé de cette structure est un phénomène étroitement lié à la météo quotidienne de la Terre :les courants-jets polaires. Aux moyennes et hautes latitudes de la Terre, une dynamique des vents à grande échelle (instabilité barocline) forme des cyclones extratropicaux, les anticyclones migrateurs, et les courants-jets polaires. Les résultats des simulations ont montré le même mécanisme à l'œuvre dans les couches nuageuses de Vénus, suggérant que des courants-jets peuvent se former aux hautes latitudes. Aux latitudes inférieures, une onde atmosphérique due à la répartition des flux à grande échelle et à l'effet de rotation planétaire (onde de Rossby) génère de grands vortex à travers l'équateur jusqu'à des latitudes de 60 degrés dans les deux sens (figure 2, la gauche). Lorsque des courants-jets s'ajoutent à ce phénomène, les tourbillons s'inclinent et s'étirent, et la zone de convergence entre les vents du nord et du sud se forme comme une traînée. Le vent nord-sud qui est poussé par la zone de convergence devient un fort flux descendant, résultant en la structure de stries à l'échelle planétaire (figure 2, droit). L'onde de Rossby se combine également avec une grande fluctuation atmosphérique située au-dessus de l'équateur (onde Kelvin équatoriale) dans les niveaux inférieurs des nuages, préserver la symétrie entre les hémisphères.
Cette étude a révélé la structure de stries géantes à l'échelle planétaire dans les niveaux inférieurs des nuages de Vénus, reproduit cette structure avec des simulations, et a suggéré que cette structure de stries est formée de deux types de fluctuations atmosphériques (vagues), instabilité barocline et courants-jets. La simulation réussie de la structure de stries à l'échelle planétaire formée à partir de plusieurs phénomènes atmosphériques est la preuve de la précision des simulations pour les phénomènes individuels calculés dans ce processus.
Jusqu'à maintenant, les études sur le climat de Vénus se sont principalement concentrées sur des calculs moyens d'est en ouest. Cette découverte a élevé l'étude du climat de Vénus à un nouveau niveau dans lequel la discussion de la structure tridimensionnelle détaillée de Vénus est possible. L'étape suivante, grâce à la collaboration avec Akatsuki et AFES-Venus, est de résoudre l'énigme du climat de la jumelle Vénus de la Terre, voilé dans l'épais nuage d'acide sulfurique.
