Entre le 4 juillet et le 6 juillet, 2019, une séquence de puissants tremblements de terre a retenti près de Ridgecrest, Californie, déclencher plus de 10, 000 répliques sur une période de six semaines. Voyant une opportunité, des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech ont fait voler des instruments attachés à des ballons à haute altitude au-dessus de la région dans l'espoir de réaliser la première détection par ballon d'un tremblement de terre naturel. Leur objectif :tester la technologie pour de futures applications à Vénus, où des ballons équipés d'instruments scientifiques pourraient flotter au-dessus de la surface extrêmement inhospitalière de la planète.

Et ils ont réussi. Le 22 juillet, des baromètres très sensibles (instruments qui mesurent les changements de pression atmosphérique) sur l'un des ballons ont détecté les ondes sonores à basse fréquence causées par une réplique au sol.

Dans leur nouvelle étude, publié le 20 juin dans Lettres de recherche géophysique , l'équipe derrière les ballons décrit comment une technique similaire pourrait aider à révéler les mystères les plus intimes de Vénus, où les températures de surface sont suffisamment élevées pour faire fondre le plomb et les pressions atmosphériques sont suffisamment élevées pour écraser un sous-marin.

Grondements planétaires

Environ la taille de la Terre, On pense que Vénus a été autrefois plus hospitalière avant de devenir un endroit remarquablement différent de notre monde habitable. Les scientifiques ne savent pas pourquoi cela s'est produit.

Un moyen essentiel de comprendre comment une planète rocheuse a évolué est d'étudier ce qu'il y a à l'intérieur, et l'un des meilleurs moyens de le faire est de mesurer les ondes sismiques qui rebondissent sous sa surface. Sur Terre, différents matériaux et structures réfractent ces ondes souterraines de différentes manières. En étudiant la force et la vitesse des ondes produites par un tremblement de terre ou une explosion, les sismologues peuvent déterminer le caractère des couches rocheuses sous la surface et même localiser des réservoirs de liquide, comme de l'huile ou de l'eau. Ces mesures peuvent également être utilisées pour détecter l'activité volcanique et tectonique.

"Une grande partie de notre compréhension de l'intérieur de la Terre - comment elle se refroidit et sa relation avec la surface, où réside la vie - vient de l'analyse des ondes sismiques qui traversent des régions aussi profondes que le noyau interne de la Terre, " a déclaré Jennifer M. Jackson, le professeur William E. Leonhard de physique minérale au laboratoire sismologique de Caltech et co-auteur de l'étude. « Des dizaines de milliers de sismomètres au sol peuplent des réseaux spatialement denses ou permanents, permettant cette possibilité sur Terre. Nous n'avons pas ce luxe sur d'autres corps planétaires, en particulier sur Vénus. Les observations de l'activité sismique là-bas renforceraient notre compréhension des planètes rocheuses, mais l'environnement extrême de Vénus nous oblige à étudier de nouvelles techniques de détection."

JPL et Caltech développent cette technique de sismologie à base de ballons depuis 2016. Parce que les ondes sismiques produisent des ondes sonores, l'information est traduite du sous-sol et dans l'atmosphère. Une science précieuse peut alors être rassemblée en étudiant les ondes sonores de l'air de la même manière que les sismologues étudieraient les ondes sismiques du sol.

Si cela pouvait être réalisé à Vénus, les scientifiques auront trouvé un moyen d'étudier l'intérieur énigmatique de la planète sans avoir à poser de matériel sur son extrême surface.

Les tremblements de terre de Ridgecrest

Lors des répliques qui ont suivi la séquence du tremblement de terre de Ridgecrest en 2019, Attila Komjathy du JPL et ses collègues ont mené la campagne en lançant deux ballons "héliotropes". Basé sur une conception développée par le co-auteur de l'étude Daniel Bowman de Sandia National Laboratories à Albuquerque, Nouveau Mexique, les ballons montent à des altitudes d'environ 11 à 15 miles (18 à 24 kilomètres) lorsqu'ils sont chauffés par le soleil et retournent au sol au crépuscule. Alors que les ballons dérivaient, les baromètres qu'ils portaient mesuraient les changements de pression atmosphérique dans la région tandis que les faibles vibrations acoustiques des répliques se propageaient dans l'air.

« Essayer de détecter les tremblements de terre naturels à partir de ballons est un défi, et lorsque vous regardez les données pour la première fois, vous pouvez être déçu, comme la plupart des séismes de faible magnitude ne produisent pas d'ondes sonores fortes dans l'atmosphère, " dit Quentin Brissaud, un sismologue au Laboratoire sismologique de Caltech et au Norwegian Seismic Array (NORSAR) à Oslo, Norvège. "Toutes sortes de bruits environnementaux sont détectés; même les ballons eux-mêmes génèrent du bruit."

Lors des tests précédents, les chercheurs ont détecté les signaux acoustiques des ondes sismiques générées par un marteau sismique (une masse lourde qui tombe au sol), ainsi que des explosifs détonés au sol sous des ballons captifs. Mais les chercheurs pourraient-ils faire de même avec des ballons flottants au-dessus d'un tremblement de terre naturel ? Le principal défi parmi d'autres :il n'y avait aucune garantie qu'un tremblement de terre se produirait même pendant que les ballons étaient en l'air.

Le 22 juillet, ils ont eu de la chance :des sismomètres au sol ont enregistré une réplique de magnitude 4,2 à près de 80 kilomètres. Environ 32 secondes plus tard, un ballon a détecté une vibration acoustique à basse fréquence - un type d'onde sonore inférieure au seuil de l'audition humaine appelée infrasons - qui l'a balayé alors qu'il montait à une altitude de près de 3 miles (4,8 kilomètres). Par des analyses et des comparaisons avec des modèles informatiques et des simulations, les chercheurs ont confirmé qu'ils avaient, pour la première fois, détecté un tremblement de terre d'origine naturelle à partir d'un instrument embarqué sur ballon.

"Parce qu'il existe un réseau si dense de stations au sol de sismomètres en Californie du Sud, nous avons pu obtenir la « vérité sur le terrain » quant au moment du séisme et à son emplacement, " dit Brissaud, l'auteur principal de l'étude. "La vague que nous avons détectée était fortement corrélée avec les stations au sol à proximité, et par rapport aux données modélisées, cela nous a convaincus, nous avions entendu un tremblement de terre."

Les chercheurs continueront à faire voler les ballons au-dessus des régions sismiquement actives pour se familiariser avec les signatures infrasons associées à ces événements. En ajoutant plusieurs baromètres au même ballon et en faisant voler plusieurs ballons à la fois, ils espèrent localiser l'endroit où se produit un séisme sans avoir besoin de la confirmation des stations au sol.

De la Californie à Vénus

L'envoi de ballons à Vénus s'est déjà avéré faisable. Les deux ballons de la mission Vega déployés là-bas en 1985 par une coopérative dirigée par les Soviétiques ont transmis des données pendant plus de 46 heures. Ni l'un ni l'autre ne transportait d'instruments pour détecter l'activité sismique. Maintenant, cette étude démontre que la technique de détection des infrasons à Vénus peut également être possible. En réalité, parce que l'atmosphère de Vénus est beaucoup plus dense que celle de la Terre, les ondes sonores voyagent beaucoup plus efficacement.

"Le couplage acoustique des séismes dans l'atmosphère est calculé pour être 60 fois plus fort sur Vénus que sur Terre, ce qui signifie qu'il devrait être plus facile de détecter les tremblements de vénus des couches froides de l'atmosphère de Vénus entre 50 et 60 kilomètres [environ 31 à 37 miles] d'altitude, " a déclaré le technologue du JPL Siddharth Krishnamoorthy, chercheur principal de l'effort d'analyse. "Nous devrions être capables de détecter les tremblements de vénus, processus volcaniques, et les événements de dégazage tout en caractérisant les niveaux d'activité."

Ce qui intéresse le plus Krishnamoorthy à propos des ballons volants sur Vénus, c'est que les scientifiques pourraient les utiliser pour dériver au-dessus de régions qui semblent devoir être sismiquement actives sur la base d'observations satellites et découvrir si elles le sont vraiment. "Si nous dérivons sur un point chaud, ou ce qui ressemble à un volcan vu de l'orbite, le ballon serait capable d'écouter des indices acoustiques pour déterminer s'il agit effectivement comme un volcan terrestre, " dit Krishnamoorthy, qui était également responsable technique de la campagne de ballons Ridgecrest. "De cette façon, les ballons pourraient fournir la vérité au sol pour les mesures par satellite. »

Alors que l'équipe du ballon Venus continue d'explorer ces possibilités, des collègues de la NASA vont de l'avant avec deux missions que l'agence a récemment sélectionnées pour se rendre sur Vénus entre 2028 et 2030 :VERITAS étudiera la surface et l'intérieur de la planète, et DAVINCI+ étudiera son atmosphère. L'ESA (Agence spatiale européenne) a également annoncé sa propre mission vers Vénus, EnVision. Ces missions offriront de nouveaux indices sur les raisons pour lesquelles la planète autrefois semblable à la Terre est devenue si inhospitalière.