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Le ciel à découvert

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Jean Audouze

Première partie. Le Soleil et le Système solaire

3. Vénus, la planète chaude

Jean-Loup Bertaux

Texte intégral

La planète du soir ou du matin

1Qui d’entre nous n’a jamais été stupéfait par la vision nocturne d’un astre extrêmement brillant, seulement surpassé par le Soleil et la Lune, mais apparemment bien plus petit que ceux-ci ? C’est la planète Vénus ! Mais comme elle bouge dans le ciel, elle n’est pas toujours visible la nuit ; et tout d’un coup, quand la saison de visibilité revient, elle s’impose à nous comme elle s’est imposée à nos ancêtres. Pas étonnant dans ces conditions que la mythologie grecque ait associé cette planète à la déesse de l’amour, Aphrodite en grec, Vénus en latin. Car quoi de plus important que l’amour ?

2Quand Galilée l’observa pour la première fois dans sa lunette (en 1610), il vit comme une demi-lune, ce qui se comprend très bien (figure 1) puisque Vénus tourne autour du Soleil tout comme la Terre, mais sur une orbite plus petite. Ce phénomène des phases de Vénus, comme celles de la lune, était la démonstration la plus éclatante de l’héliocentrisme : toutes les planètes tournent autour du Soleil, et non pas autour de la Terre, comme l’exigeait encore le dogme de l’Église. Gros problème de Galilée avec le pape, qui faillit tourner très mal pour le physicien italien. N’oublions pas le sort de Giordano Bruno, brûlé vif peu auparavant, en 1600, pour avoir suggéré le premier que les étoiles étaient des objets comme le Soleil, mais simplement beaucoup plus éloignés, et possiblement entourés d’autres mondes habités. Cette vision éjectait la Terre de sa position privilégiée par le Créateur, au centre de l’Univers. Une baisse de statut inacceptable pour l’Église.

Fig. 1 – Vénus tourne autour du Soleil sur une orbite plus petite que celle de la Terre (0,72 UA de rayon), dans le même sens que la Terre. Ce qui fait que, vue depuis la Terre, elle est toujours à moins de 46° du Soleil. Pour bien la voir, il faut être sur Terre, soit du côté soir, soit du côté matin. Ce schéma est vu depuis le pôle nord de l’écliptique, le plan qui contient l’orbite de la Terre et de Vénus. On a figuré le sens rétrograde de la rotation sur elle-même de Vénus, inverse de celui de la Terre

3Vénus tourne en 224 jours sur son orbite de rayon 0,72 Unités Astronomiques (UA), la terre tournant par définition à une UA du soleil. Ceci a deux conséquences immédiates. Vue depuis la terre, elle n’est jamais à plus de 46° du soleil ; et on la voit tantôt dans le ciel du soir, tantôt dans le ciel du matin, phare impressionnant, la fameuse « étoile » du berger qui s’allume la première, et s’éteint la dernière quand le jour se lève ; encore qu’on puisse la voir en plein jour, si le ciel est bien clair, et si on sait où regarder, une expérience qu’on ne saurait trop recommander au lecteur. Et par une nuit bien noire, quand la Lune est absente, la lumière de Vénus projette des ombres qu’un œil attentif peut détecter.

4La planète Vénus tourne très lentement sur elle-même, en 243 jours, ce qui fait que la durée du jour est plus longue que celle de l’année. Autre bizarrerie, elle tourne dans le sens rétrograde, c’est-à-dire dans le sens contraire à sa rotation autour du Soleil, ce qui n’est pas le cas des autres planètes, qui tournent plus vite sur elles-mêmes, et toutes dans le même sens. Sur Vénus, le Soleil se lève à l’ouest. Son équateur est peu incliné (3°) sur le plan de son orbite, ce qui fait qu’il n’y a pas de saisons sur Vénus.

5Constamment recouverte de nuages, au télescope on ne voit pas grand-chose de Vénus, et c’est surtout par l’exploration spatiale qu’on en sait un peu plus sur cette planète très comparable à la terre par sa taille (voir tableau comparatif). Et notamment grâce aux sondes soviétiques ayant traversé toute l’atmosphère, atterri, et photographié le paysage proche. Pour cela, ces sondes ont dû résister plus d’une heure à la pression au sol de 92 atmosphères, et à une température de 450 Celsius !

Le sol de Vénus : géographie et topographie

6Les seules photos du sol de Vénus viennent des sondes soviétiques Venera (figure 2). Elles révèlent un sol d’aspect désertique, avec des roches de tailles diverses ici et là, probablement du basalte d’après les analyses in situ. Quelques-unes présentent des traces d’érosion, ni par l’eau, ni par le vent trop faible : possiblement par des vapeurs acides.

7Grâce à son puissant radar capable de traverser les nuages, la sonde américaine Magellan a pu en relever la topographie générale (figure 3), et identifier à la surface de Vénus un certain nombre de formations géologiques qui nous renseignent sur l’histoire de cette planète. Cette topographie indique que la surface se divise en gros en 70 % de plaines au relief doux et 20 % de régions basses. Les 10 % restants sont des terrains d’altitude élevée, sorte de continents isolés : Ishtar Terra, Lada Terra et Aphrodite Terra, avec le trio des régions Beta, Themis, Phoebe Regio. Ishtar Terra, située très au nord, a une surface comparable à celle de l’Australie, et comporte un plateau surgissant à 3 km au-dessus des terrains avoisinants. En son milieu trône le Mont Maxwell, qui culmine à 11 km, plus haut que l’Everest.

Fig. 2 – Photos du sol de Vénus prises le 1er mars 1982 par la sonde soviétique Venera 13, qui survécut pendant une heure, à l’est de Phoebe Regio. L’horizon qu’on voit dans les coins se situe à quelques dizaines de mètres seulement, à cause de la réfraction atmosphérique. Ce site est composé de roches plates, à l’aspect basaltique. On voit le bas de la sonde, les couvercles de protection des deux caméras (situées sur des faces opposées de la sonde) éjectés au sol, et sur l’image du bas un bras extensible qui a permis l’analyse des roches

8Les plaines ne présentent pas beaucoup d’accidents remarquables, car elles ont été recouvertes de laves volcaniques dans un passé assez récent : 500 à 700 millions d’années. Comment le sait-on ? Comme sur la Lune, sur Mars et sur la Terre, il y a des cratères créés par l’impact d’astéroïdes ; quelques centaines, répartis sur toute la planète. En étudiant leur répartition en taille, dans les plaines, et en comparant au flux connu des chutes d’astéroïdes (notamment par les études lunaires), on a la preuve que les plaines de Vénus ont été complètement recouvertes par des coulées de lave gigantesques il y a environ 500 millions d’années : le sol des plaines de Vénus est assez jeune, comparé à l’âge de formation de la planète (4,5 milliards d’années, comme les autres planètes et le Soleil).

9Il est donc normal qu’on trouve également de nombreux volcans, répartis en différents types dont le nom est évocateur de la forme : de type bouclier, ou en forme d’anémones, d’araignées, de tiques, ou encore de pancake dome. Il y a également des lits de rivière, qui s’étendent sur des milliers de km depuis leur source volcanique jusqu’aux plaines. Il aurait pu s’y écouler non seulement de la lave, mais aussi d’autres fluides : non point de l’eau, mais une matière qui est fluide à la température du sol, du plomb, de l’étain, ou des minéraux riches en carbone.

10On n’a pu déceler à la surface de Vénus aucune trace de tectonique des plaques, ce phénomène qui, sur terre déplace les continents au cours du temps. Ceux-ci flottent en quelque sorte sur le manteau terrestre, se cognent pour former les chaînes de montagnes, ou se séparent le long d’une faille. C’est ainsi que l’Amérique du Sud s’est séparée de l’Afrique il y a environ 200 millions d’années, comme l’a proposé le premier le météorologue allemand Wegener dans sa théorie de dérive des continents dès le début du XXe siècle, et que les géologues n’ont fini par accepter… qu’au cours des années 1960 ! Il est vraisemblable que la présence d’eau liquide sur Terre (en moyenne, une épaisseur de 2,8 km) joue un rôle de fluidificateur, favorisant la tectonique. Comme l’eau est presque totalement absente sur Vénus, cela expliquerait l’absence de tectonique des plaques.

Fig. 3 – Carte topographique de la planète Vénus obtenue à partir des observations du radar orbital Magellan de la NASA en 1995. L’altitude du relief est codée en couleur, avec les plaines les plus basses (Planitia) en bleu sombre, puis vert, beige et blanc pour les plus hauts reliefs (avec la permission de Calvin J. Hamilton)

La température dans l’atmosphère de Vénus

11La figure 4 montre la distribution verticale de la température atmosphérique, sur Vénus et sur terre. Plus on s’approche de la surface, plus il fait chaud. Ceci s’explique assez simplement : à chaque altitude, une parcelle de gaz supporte le poids de toute la colonne de gaz qui se trouve au-dessus, et ne peut le faire que grâce à une pression grandissante vers le bas (équilibre hydrostatique). Nous savons aussi que, quand on comprime un gaz, il s’échauffe. On en fait l’expérience en regonflant son vélo : la pompe s’échauffe dans la main, car il faut comprimer l’air pour qu’il veuille bien entrer dans la chambre à air. De même, une parcelle d’air dans l’atmosphère qui descend voit sa pression augmenter, elle s’échauffe donc par ce phénomène de chauffage adiabatique par compression ; tandis qu’elle se refroidit si elle monte. Or, l’atmosphère est en permanence agitée de mouvements de convection, comme dans une casserole chauffée. Pas étonnant alors qu’il s’établisse un équilibre naturel conduisant à la descente de la température quand l’altitude augmente, selon une pente qu’on nomme le gradient adiabatique : environ -8°/km sur Vénus et -10°/km sur terre. Deux exceptions notables à cette règle : d’une part, l’existence sur Terre d’une couche d’ozone, qui, tout en nous protégeant des rayons UV solaires, absorbe ce rayonnement, et chauffe localement l’atmosphère, ce qui donne naissance à la stratosphère, entre 10 et 45 km d’altitude, couche qui n’existe pas sur Vénus. D’autre part, la haute atmosphère des deux planètes (plus haut que 100 km), où les rayons UV solaires sont assez énergétiques pour briser les molécules d’azote (N2), d’oxygène (O2) et de gaz carbonique (CO2). Les atomes ainsi créés O, N et C, ainsi que la molécule CO (monoxyde de carbone), libèrent de l’énergie en se recombinant, qu’ils communiquent à l’air ambiant, ce qui chauffe localement l’atmosphère.

Composition chimique de l’atmosphère et des nuages

12L’atmosphère très épaisse de Vénus est constituée principalement de gaz carbonique (CO2), 96.5 %, et d’azote (N2), 3.5 %, tandis que celle de la Terre contient aussi de l’azote (78 %) et de l’oxygène moléculaire (O2, 21 %). Donc, Vénus contient moins d’azote en relatif mais environ 4 fois plus en valeur absolue. L’azote est un gaz neutre, que l’on retrouve également sur Mars, et en abondance sur Titan, le gros satellite de Saturne qui possède une atmosphère importante. Il est donc présent sur toutes les planètes telluriques (avec un sol solide) qui possèdent une atmosphère, ainsi que sur Titan.

13Par contre, l’oxygène est presque totalement absent de Vénus. Mais on sait que sur Terre, l’oxygène a une origine entièrement biologique : la photosynthèse capte du CO2, et rejette de l’oxygène, que d’autres espèces respirent à pleins poumons, ou à pleines branchies, quand l’oxygène est dissous dans l’eau. De l’eau, il y en a très peu sur Vénus, et presque uniquement sous forme de vapeur. On ne peut pas dire qu’il n’y a pas une goutte d’eau sur Vénus, car justement, les particules des nuages sont des gouttelettes d’acide sulfurique H2SO4 concentré à 75 % en masse, donc contenant un peu d’eau ! Mais l’essentiel de l’eau est distribué en vapeur dans l’atmosphère. Si on liquéfiait cette vapeur d’eau, cela ferait une couche d’eau liquide de 14 mm d’épaisseur seulement, à comparer aux océans terrestres, dont le contenu total, s’il était mis sous forme d’une couche uniforme, ferait 2,8 km d’épaisseur : 200 000 fois moins d’eau sur Vénus que sur Terre !

Fig. 4 – Profils de température de la Terre (bleu) et de Vénus (vert). Il n’y a pas de stratosphère sur Vénus, où la température au sol atteint 464 °C, à cause d’un puissant effet de serre. Les nuages d’acide sulfurique de Vénus s’étendent de 45 à 78 km d’altitude environ. La haute atmosphère de Vénus du côté nuit a été nommée cryosphère, car elle est très fortement refroidie par le rayonnement du gaz carbonique. La sonde ESA Venus Express a découvert, vers 90-110 km, une couche d’air chaud, lié à la descente dans la nuit des masses d’air en provenance du côté jour, dans le régime de circulation de la haute atmosphère qui va du point sub-solaire (jour) au point anti-solaire (nuit)

14À l’inverse, il y a sur Vénus 230 000 fois plus de CO2 que sur Terre. Cependant, on sait que sur terre, le CO2 se dissout dans l’eau, et précipite sous forme de carbonate de calcium (soit minéral, soit dans les coquilles animales) pour sédimenter sous forme de bancs de calcaire. En faisant l’inventaire de tous les dépôts calcaires terrestres, on trouve que cela correspond à une quantité de CO2 tout à fait comparable à celle de Vénus.

15On peut noter au passage que, si l’on injectait maintenant une quantité massive d’eau liquide dans l’atmosphère de Vénus, elle ne se maintiendrait pas sous forme liquide, car la température au sol (au niveau moyen de la topographie) est de 464 °C, bien supérieure au point critique de l’eau (374 °C) : au-dessus du point critique, l’eau ne peut pas être liquide, quelle que soit la pression qui s’exerce. Que se passerait-il ? Une quantité massive de vapeur d’eau se répartirait dans l’atmosphère. Mais à environ 10 km d’altitude où la température descend au-dessous du point critique, elle pourrait se liquéfier en fines gouttelettes nuageuses. En coalesçant les unes avec les autres, cela finirait par former des gouttes plus grosses, qui tomberaient : de la pluie ! Mais cette pluie n’atteindrait jamais le sol, car elle s’évaporerait à nouveau et remonterait former des nuages dans un cycle continuel.

16Un autre gaz joue un rôle fondamental dans l’atmosphère de Vénus bien que son abondance soit très faible, car c’est lui qui est à l’origine des nuages de Vénus : c’est le dioxyde de soufre (SO2), présent à un taux de 150 ppm (parties par million). Il peut en effet se transformer en SO3, gaz éphémère qui réagit immédiatement avec la moindre molécule de vapeur d’eau H2O pour former le terrible acide sulfurique, H2SO4 :

SO2 + O → SO3; SO3 + H2O → H2SO4

17Très hygroscopique, cet acide gazeux va capter les rares molécules de vapeur d’eau pour former de fines gouttelettes, d’environ 0.5 à 2 µ de rayon, qui se répartissent sur une grande épaisseur, entre 45 km et 80 km d’altitude. Les atomes d’oxygène O sont fournis par la photodissociation de SO2 par les UV solaires, dans les couches supérieures des nuages exposées au Soleil. C’est donc là que se forment ces gouttelettes, d’abord toutes petites, puis un peu plus grosses, finissant par former en tombant lentement toute la couche observée 45-80 km. Quand elles arrivent vers 45 km, où il fait déjà chaud (~ 100 °C), elles s’évaporent, et le gaz relâché, du SO2, remonte pour participer à un nouveau cycle.

18Cette couche de nuages n’est pas très dense, en terme de masse par m3. À son maximum de densité vers 50 km, les gouttelettes pèsent ~ 30 mg/m3, alors que dans les nuages terrestres les gouttes d’eau peuvent représenter 400 mg/m3.

Un effet de serre massif

19Cependant, les molécules de CO2 et celles de vapeur d’eau H2O, possédant 3 atomes, peuvent facilement absorber et émettre le rayonnement infra-rouge, ce qui a tendance à refroidir l’atmosphère. Mais le sol de la planète se met lui aussi en équilibre thermique. Il absorbe du rayonnement solaire dans la partie visible du spectre, la plus abondante, et ajuste sa température absolue T pour émettre, comme tout corps, un rayonnement thermique infra-rouge W d’autant plus grand qu’il est plus chaud, à la puissance 4 de la température :

W = σ T4, où σ est la constante de Stefan-Boltzmann.

20C’est avec des caméras sensibles à l’infra-rouge installées dans certains aéroports que l’on détecte les passagers fiévreux à leur arrivée, éventuellement porteurs d’un virus indésirable.

21Le décor est planté pour expliquer le fameux effet de serre. En l’absence de toute atmosphère, le sol se mettrait à une certaine température d’équilibre T0 (-15 °C pour la Terre). Mais l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement thermique du sol, et le renvoie vers le haut et vers le bas ; de sorte que le sol reçoit cette énergie supplémentaire, dont il ne peut se débarrasser pour rester à l’équilibre qu’en augmentant sa température. Augmentation bénéfique sur Terre, car on passe de -15° à + 15° ; mais qui, sur Vénus, se traduit par une augmentation de 350°, et y provoque la fournaise que l’on sait. C’est la combinaison du gaz carbonique en quantité massive, de la vapeur d’eau qui bloque le rayonnement infra-rouge dans les longueurs d’onde où le CO2 le laissait passer, et des nuages épais, qui provoque cet effet de serre massif sur Vénus et la rend invivable.

Voir le sol dans la nuit

22Cependant, comme on l’a découvert assez récemment, il existe encore, entre les absorptions du CO2 et de H2O, des « fenêtres » spectrales, qui laissent passer un peu de lumière infrarouge : de 0,9 à 2,5 microns de longueur d’onde, surtout dans les régions où les nuages sont moins épais. Cette lumière provient du sol de Vénus (comme un fer porté au rouge), et de la basse atmosphère. Le satellite Venus Express de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), en orbite autour de Vénus depuis Avril 2006 est le premier à exploiter systématiquement ces fenêtres, du côté nuit évidemment (on n’est pas gêné par la lumière solaire réfléchie du côté jour par les nuages). Ceci a permis, par exemple, de bien mesurer la vapeur d’eau dans la basse atmosphère, de montrer qu’elle est uniformément répartie, mais qu’elle n’existe qu’en très faible quantité (ce qu’on soupçonnait déjà) : environ 40 ppm (partie par million).

23Ces fenêtres infra-rouge permettent aussi de tenter de détecter des volcans en activité : la région étant plus chaude, elle devrait émettre plus d’infra-rouge. Pour le moment, cette recherche est infructueuse. On détecte bien des régions plus chaudes, mais ce sont celles qui sont à plus basse altitude, où le sol y est plus chaud, car l’atmosphère elle-même est plus chaude, comme nous l’avons vu plus haut. Ce qui fait que la carte d’émission infra-rouge relevée par Venus Express coïncide très bien avec la topographie de Vénus, telle qu’elle avait été décrite par le radar de Magellan, mesurant l’altitude du relief en tous points. Les rares écarts sont plutôt attribués à la composition minéralogique du sol, qui joue un rôle dans la forme du spectre infrarouge thermique qu’il émet.

24Cette surveillance de la face nuit montre aussi que la couverture nuageuse n’est pas homogène (figure 5) : certaines régions sont moins opaques que d’autres, laissant passer l’émission du sol. Mais ces régions bougent constamment, et ceci nous amène à décrire ce que l’on sait de la circulation atmosphérique sur Vénus.

25Sur Terre, c’est bien cette circulation qui est à l’origine des changements de temps (météorologie). D’où l’intérêt de bien comprendre la physique qui régit le mouvement des masses d’air, que l’on tente de décrire au mieux dans les logiciels de prévision météo. Mieux on décrit la physique, meilleures seront les prévisions. Mais cette physique est la même pour toutes les atmosphères, et il est possible que si l’on comprend bien la circulation de Vénus, on comprendra également un peu mieux celle de la Terre.

Fig. 5 – Cette image composite en fausses couleurs est une vue depuis la sonde Venus Express de l’ESA, mise en orbite en 2006. La partie supérieure (bleue) est un cliché pris en ultra-violet de l’hémisphère de jour, où l’on décèle au sommet des nuages des marques enroulées en spirale, dans la combinaison de la super-rotation et d’un vent faible soufflant de l’équateur au pôle. En bas, côté nuit : on détecte de la lumière infra-rouge émise par le sommet des nuages, plus intense quand la température est plus élevée, ce qui correspond aux nuages moins épais. Ces structures infra-rouges s’organisent aussi en spirales qui s’enroulent autour du vortex polaire sud. ESA/VMC/MPI/Markiewicz et/VIRTIS/Piccioni/INAF-IASF/Drossart/Obs. de Paris-LESIA

26Nous avons dit plus haut qu’au télescope, la couverture nuageuse était uniformément blanche, légèrement teintée de jaune. Mais des clichés pris en UV montrent des régions plus sombres ; l’astronome amateur Charles Boyer (il était magistrat en Afrique) recueillit à partir de 1957 des séries de clichés UV pris à Brazzaville. Combinés avec ceux de Charles Camichel pris à l’Observatoire du Pic du Midi, ils montraient que les nuages avaient une vitesse de 100 m/s, parallèle à l’équateur : ces régions plus sombres en UV font le tour de la planète en 4 jours, dans le sens rétrograde.

27C’est ainsi que, juste avant les mesures radar (depuis la Terre) en 1962 qui ont permis de mesurer la rotation très lente de la planète (243 jours), on pouvait croire que la planète tournait sur elle-même en 4 jours ! En fait, c’est l’atmosphère qui tourne en 4 jours, beaucoup plus vite que la planète, mais dans le même sens rétrograde. C’est pourquoi l’on parle de super – rotation. Les sondes spatiales russes et américaines ont pu mesurer la vitesse du vent en fonction de l’altitude. Cette vitesse est quasi-nulle au niveau du sol (heureusement ! car l’atmosphère y pèse environ 65 kg par m3), puis croit régulièrement jusque vers 70 km d’altitude, au sommet des nuages, où elle atteint 100 m/s.

28Ce vent n’est pas strictement parallèle à l’équateur. En suivant les petites marques UV, on peut constater une composante de vitesse d’environ 10 m/s vers le nord dans l’hémisphère Nord, et vers le sud dans l’hémisphère sud. Il s’agit donc d’un éloignement de l’équateur. Ceci est particulièrement bien observé au voisinage du point sub-solaire de la planète. C’est là en effet que le Soleil est à la verticale, le lieu qui reçoit donc le plus d’énergie, et l’absorbe pour chauffer l’air ambiant. Et que fait l’air quand il chauffe ? Il monte comme une montgolfière. Mais vers le sommet des nuages, il s’étale horizontalement, et se dirige vers chacun des pôles, où il redescend, dans le spectaculaire vortex polaire (figure 6), semblable au tourbillon d’une baignoire qui se vide. On a donc ainsi deux cellules de circulation (cellules de Hadley, bien connues sur Terre mais disposées différemment), une dans chaque hémisphère, où l’air monte à l’équateur, se dirige horizontalement vers le pôle à haute altitude (50-70 km), puis y redescend dans les profondeurs épaisses de la basse atmosphère, aspiré par les vortex polaires (le Nord et le Sud). Mais cette circulation équateur-pôle est déformée par la super-rotation de 4 jours, plus rapide ; de sorte qu’il s’établit une circulation en forme de spirale, démarrant de l’équateur et s’enroulant autour du pôle. C’est d’ailleurs ce qui est suggéré directement par la disposition des marques UV du côté jour (figure 5), et par les zones de nuages moins denses du côté nuit, qui laissent passer plus d’infrarouge : dans les deux cas, on voit des spirales.

Fig. 6 – Le vortex du pôle sud de Vénus observé par l’instrument VIRTIS à bord de Venus Express, à une longueur d’onde infra-rouge de 3,8 microns qui sonde les nuages. L’intensité est liée à la température des nuages. La région sombre est celle où la température est la plus élevée, donc où l’altitude est la plus basse. Cette dépression est forcée par le flot descendant d’air dans le vortex, dont le centre est proche du pôle sud, et la grande dimension de l’ellipse est de 3 000 km. ESA/VIRTIS/Piccioni/INAF-IASF/Drossart/Obs. de Paris-LESIA

29Nous avons vu que, du côté jour, il y a des régions plus sombres dans la couverture nuageuse. Ces marques sont dues à la présence d’une substance dont la nature reste inconnue à ce jour. On ne sait même pas si cette substance est gazeuse, ou se trouve dans les gouttelettes sous forme de contaminant. De nombreuses suggestions ont été formulées, parmi lesquelles la plus crédible est sans doute un mélange de gaz de soufre, sous des formes moléculaires S2, S3, S4 et plus encore.

30Ces marques nous sont en tout cas bien utiles pour étudier la dynamique de l’atmosphère de Vénus au sommet des nuages. En particulier, on constate que la vitesse zonale (parallèle à l’équateur) est constante à environ 100 m/s à toutes les latitudes jusqu’à environ 50° (Nord et Sud), puis qu’elle baisse rapidement jusqu’au vortex polaire. Notons que les cercles de latitude constante, les parallèles, devenant de plus en plus petits à plus haute latitude, les nuages font le tour de la planète de plus en plus vite jusqu’à 50° de latitude. Mais on constate également, avec la sonde Venus Express, que d’autres paramètres changent également à 50° de latitude : l’altitude des nuages baisse de quelques km, tandis que la quantité de vapeur d’eau et de SO2 au sommet des nuages, assez constante jusqu’à 50°, baisse également brutalement. C’est sans doute le signe confirmant notre schéma de la cellule de Hadley évoqué plus haut : à l’équateur, où le Soleil chauffe le plus, de l’air monte au-dessus des nuages, sec et moins chargé en SO2. Quand cet air redescend aux latitudes > 50°, il « pousse » les nuages vers le bas, et l’on y mesure au sommet moins de vapeur d’eau et de SO2.

31Pourquoi l’atmosphère tourne-t-elle plus vite que la planète ? Diverses explications ont été proposées, trop compliquées pour être discutées ici. On peut cependant dire que le chauffage de l’atmosphère par le Soleil (principalement au sommet des nuages) doit jouer un rôle important. Or, on constate que ce chauffage est dissymétrique par rapport au point subsolaire, comme sur Terre : il fait plus chaud l’après midi que le matin, à égale distance de midi. Il en résulte un effet de « marée thermique » : le soleil exerce un couple sur l’atmosphère de Vénus, qui par frottement agit sur le sol. À tel point qu’on soupçonne cette marée de ralentir la rotation de Vénus ! Serait-ce donc l’atmosphère très épaisse de Vénus soumise à cet effet de marée solaire qui aurait dicté son état actuel de rotation lente ? C’est une hypothèse tout à fait possible.

32Un autre régime de circulation atmosphérique règne dans la haute atmosphère, bien au-dessus des nuages, dans la thermosphère qui commence à 100 km d’altitude. Il s’agit d’une circulation qui emmène l’atmosphère du point sub-solaire au point antisolaire, à l’exact opposé, au beau milieu de la nuit. Cette fois-ci, la circulation n’est plus zonale, mais symétrique autour de l’axe solaire-antisolaire, les vents étant dirigés, du côté jour, à l’opposé du point sub-solaire. Cette circulation est évidemment induite par l’énorme chauffage solaire qui règne aux alentours du point sub-solaire, et l’air qui monte jusque dans la thermosphère s’y déplace alors horizontalement, en s’éloignant du point sub-solaire en direction du terminateur (la limite entre le jour et la nuit). Continuant sa course dans l’hémisphère nocturne, cet air finit par redescendre pour quitter la thermosphère. Cette plongée nocturne se manifeste de façon spectaculaire, comme l’a montré la sonde Venus Express, de deux façons différentes. D’une part, on a pu détecter du côté nuit un maximum de température vers 90-100 km, à une altitude où l’on s’attendait au contraire à une température très basse, car le CO2 rayonne beaucoup d’infra-rouge et se refroidit (figure 4). Mais, comme nous l’avons vu plus haut, l’air qui descend voit sa pression augmenter, et subit un chauffage adiabatique par compression, d’où le maximum de température révélé par Venus Express et son instrument SPICAV. D’autre part, deux émissions lumineuses se distinguent dans la nuit de Vénus, qui sont caractéristiques de la recombinaison de la molécule d’oxyde d’azote NO dans l’ultra-violet, et de la molécule d’oxygène O2 dans l’infra-rouge, à partir des atomes de O et de N. En effet, on a vu plus haut que le Soleil casse les molécules de CO2 et de N2 dans la haute atmosphère du côté jour. Les atomes de O et de N, ainsi libérés sont transportés du côté nuit ; quand les masses d’air descendent, la pression et la densité augmentent et la probabilité de rencontre entre atomes croît comme le carré de la densité. Chaque rencontre donne lieu à l’émission d’un photon UV quand une molécule de NO est formée, et infra-rouge quand c’est O2 qui est formé. Ces émissions sont donc des traceurs de la circulation des masses d’air du côté nuit ; elles sont très variables d’un jour à l’autre, mais en moyenne on constate (figure 7) que le maximum d’émission de O2 est bien centré sur le point anti-solaire (minuit équatorial). Par contre, le maximum d’émission de NO est décalé vers le matin, vers 2 heures (locale). Ceci est expliqué par l’influence de la super-rotation, qui influence le régime Solaire anti-solaire. Comme la molécule N2 est plus solide que la molécule de CO2 vis-à-vis de l’UV solaire qui les cassent, les atomes de N sont libérés plus haut que les atomes de O du côté jour ; on peut donc comprendre que les masses d’air, contenant respectivement des atomes O et des atomes N (qui contiennent aussi du O) ayant une altitude d’origine différente, vont avoir des trajectoires différentes.

33L’émission de O2, est maximale à 95 km, et celle de NO à 115 km, ce qui est conforme aux calculs théoriques. Il y a cependant un petit mystère, car on s’attendrait à ce que la super-rotation de l’atmosphère, qu’on voit au moins jusqu’à 70 km, entraîne par friction la couche inférieure à 95 km, plus que celle à 115 km. Or c’est exactement le contraire que l’on observe ! Cela veut dire qu’on est loin d’avoir tout compris dans la dynamique de l’atmosphère de Vénus. Mais tout progrès dans ce domaine améliore notre compréhension de la physique des atmosphères en général, avec des retombées positives possibles sur la météorologie et la climatologie terrestres.

Fig. 7 – Cartographie des émissions lumineuses sur la face nuit de Vénus. À gauche, il s’agit de l’émission UV par les molécules d’oxyde nitrique NO émise lors de la recombinaison d’atomes O et N, produits du côté jour à haute altitude, et qui retombent dans la nuit. À droite, c’est l’émission dans le proche infrarouge, à 1,27 µ de la molécule d’oxygène O2, produite par le recombinaison de 2 atomes de O. Le maximum d’intensité de O2 est centré sur minuit, tandis que le maximum d’émission de NO est déplacé du côté du matin, vers 2 heures locale, dans le sens de la super-rotation. ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA, ESA/SPICAV/CNRS/LATMOS et Cox/LPAP, Liège

Éclairs et volcans

34Pourrait-il exister des orages, avec des décharges électriques et des éclairs, à l’instar des nuages terrestres ? On n’a pas détecté d’émissions lumineuses intenses et rapides. Mais la sonde Venus Express a détecté des ondes électro-magnétiques de type « siffleur », dont on sait qu’elles peuvent être associées sur Terre aux éclairs. C’est un indice sérieux de l’existence des éclairs sur Vénus.

35De tels éclairs se produisent parfois dans les panaches de poussières des volcans terrestres, qui crachent également du SO2 en abondance. Ce SO2 finit par former dans la stratosphère de petites gouttelettes de H2SO4, comme sur Vénus. Il est tentant d’imaginer que des volcans vénusiens sont à la source de l’énorme quantité de SO2, à l’origine des nuages de Vénus. Ces volcans existent : on les voit très bien au radar. Mais sont-ils éteints à jamais, ou encore actifs de nos jours ? L’américain Larry Esposito, avec l’orbiteur Pioneer Venus, a mesuré une décroissance du SO2 au-dessus des nuages (altitude > 60 km) d’un bon facteur 3 entre 1978 et 1980, qu’il a interprétée comme étant due à une éruption volcanique majeure peu avant 1978. Cette éruption aurait, par un effet mécanique de piston, entraîné vers le haut le SO2 préexistant, au-dessus des nuages où on peut le mesurer depuis un orbiteur, la décroissance observée étant un simple retour à la normale. Cependant, d’autres explications de cette observation ont été proposées, faisant appel à la dynamique de l’atmosphère de Vénus plutôt qu’aux volcans.

36Il n’en demeure pas moins que l’énorme quantité de SO2 dans l’atmosphère de Vénus représente un déséquilibre qu’il faut expliquer. En effet, ce SO2 gazeux réagit avec les roches du sol, en particulier avec le carbonate de calcium CaCO3, donner du sulfate de calcium pour CaSO4 et de l’oxyde de carbone gazeux CO :

SO2 + CaCO3 ⇔ CO + CaSO4

37À l’équilibre, il devrait y avoir seulement quelques ppm de SO2, alors qu’il y en a 150 ppm. On a pu calculer toutefois que la réaction est très lente, et qu’il faut environ 2 millions d’années pour revenir à l’équilibre. Il faut donc supposer, pour expliquer la présence massive du SO2, qu’il y a eu des éruptions volcaniques massives, il y a moins de 2 millions d’années. On peut donc imaginer que, dans les périodes calmes de la vie de Vénus, sans activité volcanique, le SO2, et toute la couche nuageuse qui en découle, a pu disparaître, et qu’ils pourraient encore disparaître dans le futur.

38Que se passerait-il alors sur une Vénus sans nuages ? Ceux-ci participent environ pour 10 % à l’effet de serre, donc ce dernier diminuerait, faisant baisser la température au sol. Par contre, le rayonnement solaire arriverait en entier jusqu’au sol, alors qu’avec les nuages qui en renvoient 75 % vers le ciel, et en absorbent 22.5 %, seuls 2.5 % arrivent au sol. On peut calculer facilement que la température au sol augmenterait si les nuages disparaissaient. C’est peut-être l’exemple de Vénus qui a inspiré Paul Crutzen, Prix Nobel, qui propose très sérieusement de lutter contre l’effet de serre terrestre en répandant à haute altitude de minuscules gouttelettes d’acide sulfurique (il en existe déjà vers 15-20 km), qui renverraient vers l’espace un peu de lumière solaire. La diminution de lumière solaire arrivant au sol se traduirait par une baisse de la température. Cela est déjà arrivé de façon naturelle lors de grosses éruptions volcaniques : chute de 0,3 °C dans l’hémisphère nord, après l’éruption du mont Agung en 1963.

Histoire de l’eau

39Mis à part la présence de O2 sur Terre (due à l’existence de la vie), la principale différence entre ces deux jumelles que sont la Terre et Vénus réside dans la quantité d’eau : un équivalent liquide de 1,4 cm pour Vénus, et 2,8 km pour la Terre. S’étant formées à partir des mêmes matériaux (les grains solides de la nébuleuse primitive dont les témoins actuels sont les météorites), on peut imaginer qu’elles avaient à l’origine la même quantité d’eau, car des molécules d’eau sont présentes, liées aux minéraux de ces grains.

40Comment peut-on remonter le passé et en savoir plus sur cette origine ? Nous avons un indice : c’est la quantité d’eau lourde HDO dans l’atmosphère de Vénus. Il s’agit d’une molécule d’eau dans laquelle un atome d’hydrogène H est remplacé par un atome de deutérium D, l’isotope deux fois plus lourd que H. Tandis que dans l’océan terrestre, on ne trouve que 1 molécule de HDO pour 3 000 de H2O, dans l’atmosphère de Vénus, il y a une molécule de HDO pour 20 de H2O : en relatif, il y a 150 fois plus d’eau lourde sur Vénus que sur Terre. Ceci n’est certainement pas d’origine, car le rapport terrestre 1/3 000 est aussi celui qu’on trouve en général dans les météorites.

41On sait comment un tel enrichissement en deutérium est possible. En effet, la vapeur d’eau (lourde ou pas) exposée aux rayons UV du soleil vers 90 km d’altitude est cassée en atomes. Les atomes d’hydrogène atteignent le sommet de l’atmosphère (~ 250 km), où ils sont propulsés dans l’espace comme des fusées, mus par leur vitesse initiale. Ils y forment une couronne d’hydrogène qui s’étend jusqu’à 40 000 km environ. Une bonne partie de ces atomes retombent dans l’atmosphère, mais d’autres, ceux qui ont une vitesse initiale plus grande que la vitesse dite « de libération », échappent à la gravité de Vénus définitivement : perte sèche pour la planète. Les atomes de deutérium, étant plus lourds, vont moins vite que les atomes H, et s’échappent énormément moins. On conçoit donc que la planète, perdant moins de D que de H, s’enrichit en deutérium, donc en HDO, au cours du temps.

42Imaginons que l’échappement en deutérium ait toujours été nul. Cela veut dire qu’il y a eu 150 fois plus d’eau que maintenant, ce qui représente une couche de 2 m. Ceci est très peu, vis-à-vis des 2,8 km de la terre. Mais c’est une limite strictement inférieure, car des atomes de D s’échappent certainement. Combien ? c’est une mesure difficile à faire, et qui reste à accomplir.

Tab. 1 : Tableau comparatif des trois planètes

Paramètre

Vénus

Terre

Mars

Distance au soleil (UA)

0,723

1

1,524

Rayon à l’équateur (km)

6.051,3

6.378

3 398

Période orbitale (Jour)

224,7

365,25

686,98

Durée du jour

243,01 jours

23,93 hr

24,62 hr

Pression atmosphérique au sol (bar)

92

1,013

0,006

Température au sol (C)

464

15

-63

Composition de l’atmosphère

CO2 (96,5%) N2 (3,5%)

N2 (78%), O2 (21%) Argon (1%)

CO2 (95,3%),

N2 (2,7%) Argon (1,6%)

Gaz minoritaires

SO2, H2O, HDO, CO, HF, HCl, OCS (oxy-sulfure de carbone)

H2O, ozone (O3), CO2, méthane (CH4)

H2O, ozone (O3)

Etat de l’eau

Vapeur

Liquide

Glace

Quantité d’eau (m)

0,014

2.800

~ 20 (calottes polaires)

43Cependant, des atomes peuvent s’échapper d’une autre façon : ils peuvent être ionisés par le rayonnement UV solaire, transformés en ions H+, O+, D+, peuplant ainsi une copieuse ionosphère, entre 120 et 250 km d’altitude. Vénus ne possédant pas de champ magnétique, cette ionosphère reçoit l’impact direct du vent solaire, plasma composé principalement de protons (H+) à 400 km/s. Le plasma solaire contourne l’obstacle que représente Vénus, en entraînant une partie des ions vénusiens. La sonde Venus Express a pu mesurer en tout cas ce type d’échappement, et montrer qu’il s’échappait environ deux fois plus d’ions H+ que d’ions O+, ce qui correspond à la formule de l’eau H2O. Enfin, l’échappement actuel est assez faible, et ne représente sur la vie de la planète (4.5 milliards d’années) qu’une quantité d’eau équivalente à environ 3 m.

44On peut quand même imaginer un scénario, dans lequel Vénus aurait eu à sa formation autant d’eau que la Terre, sous forme liquide au début, car le Soleil était 30 % moins ardent à cette époque. L’augmentation progressive de la luminosité solaire aurait fait chauffer l’eau liquide, émettant de plus en plus de vapeur. Cette vapeur d’eau étant un puissant gaz à effet de serre (il est responsable sur terre d’environ 80 % de l’effet de serre), cela contribue à encore augmenter la température de la surface de l’eau, en un cercle vicieux (une boucle de rétroaction positive en langage plus scientifique), jusqu’à vaporisation complète de l’océan au cours d’un terrible effet de serre divergent, et perte par les mécanismes d’échappement que nous avons décrit plus haut.

45Les plus « optimistes » des exobiologistes, qui étudient la vie en dehors de la terre (sans savoir d’ailleurs si elle existe), imaginent que la vie aurait pu apparaître sur Vénus à ces débuts, quand elle était encore pourvue d’un océan liquide ; et que cette vie aurait pu s’adapter aux nouvelles conditions changeant lentement, jusqu’à trouver refuge aujourd’hui dans les gouttelettes d’acide sulfurique des nuages, à une altitude où la température est plus clémente. À l’appui de leur idée, ils citent le cas de certaines bactéries terrestres qualifiées d’extremophiles, capable de supporter un environnement extrêmement acide. Il serait naturellement fascinant d’envoyer une sonde spatiale dans l’atmosphère de Vénus, et d’y pratiquer des analyses in situ pour vérifier cela, ou même d’en ramener des échantillons sur Terre pour les étudier finement, « sous toutes les coutures ».

46Revenons à la boucle de rétroaction positive citée plus haut : quand la température de l’eau liquide croît, la quantité de vapeur d’eau augmente, ce qui augmente l’effet de serre et réchauffe encore l’eau davantage. On sait que cette boucle est déjà à l’œuvre sur Terre : on peut calculer que le réchauffement climatique dû à l’augmentation du CO2 tout seul est multiplié par trois, à cause de l’augmentation de vapeur d’eau qu’il induit.

47Le sort de la Terre et de sa jumelle qui a « mal tourné » était-il déjà fixé au départ ? Vénus a-t-elle eu autant d’eau que sa sœur à sa naissance ? À vrai dire, l’origine de l’eau sur la terre est moins claire aujourd’hui qu’il n’y paraissait il y a quarante ans. Car on a compris depuis, en étudiant finement les échantillons lunaires ramenés par les missions Apollo, qu’environ 30 millions d’années après sa formation, la Terre a été percutée par un corps solide de la taille de Mars ! Les débris éjectés en orbite ont fini par se rassembler pour former la Lune. S’il y avait déjà un océan sur terre, qu’est-il devenu dans la collision ? L’astre percuteur apportait-il plein d’eau également ? Ou l’eau actuelle de la terre a-t-elle été apportée par d’autres collisions plus tardives, mais moins violentes ? Autant de questions qui restent encore ouvertes aujourd’hui.

48À mi-chemin de Vénus et de Mars dans sa distance au soleil, la Terre, seule, y voit son eau sous forme liquide. Elle jouit donc d’un climat propice à l’apparition de la vie, et à son évolution vers des espèces intelligentes. Espérons tout de même que l’espèce humaine sera assez lucide pour comprendre qu’elle met en danger sa propre planète, par sa prolifération et par son mode de vie. L’exemple tout proche de Vénus, avec son effet de serre qui en fait un enfer, devrait nous aider à une prise de conscience salutaire.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Bertaux J. L. et al., 2007, « A warm layer in Venus’cryosphere and high altitude measurements of HF, HCl, H2O and HDO », Nature, 450, p. 646.

• Drossart P. et al., 2007, « A dynamic upper atmosphere of Venus as revealed by VIRTIS on Venus Express », Nature, 450, p. 641.

• Gérard J.-C. et al., 2008, « Limb observations of the ultraviolet nitric oxide nightglow with SPICAV on board Venus Express », J. Geophys. Res., 113, E00B03.

• Piccioni G. et al., 2007, « South-polar features on Venus similar to those near the north pole », Nature, 450, p. 637.

• Taylor F., 2006, « Venus before Venus Express », Planetary and Space Science 54, p. 1249-1262.

• Vandaele A. C., et al., 2008, « Composition of the Venus mesosphere measured by SOIR on board Venus Express », J. Geophys. Res., 113, E00B23.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Vénus tourne autour du Soleil sur une orbite plus petite que celle de la Terre (0,72 UA de rayon), dans le même sens que la Terre. Ce qui fait que, vue depuis la Terre, elle est toujours à moins de 46° du Soleil. Pour bien la voir, il faut être sur Terre, soit du côté soir, soit du côté matin. Ce schéma est vu depuis le pôle nord de l’écliptique, le plan qui contient l’orbite de la Terre et de Vénus. On a figuré le sens rétrograde de la rotation sur elle-même de Vénus, inverse de celui de la Terre
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Légende Fig. 2 – Photos du sol de Vénus prises le 1er mars 1982 par la sonde soviétique Venera 13, qui survécut pendant une heure, à l’est de Phoebe Regio. L’horizon qu’on voit dans les coins se situe à quelques dizaines de mètres seulement, à cause de la réfraction atmosphérique. Ce site est composé de roches plates, à l’aspect basaltique. On voit le bas de la sonde, les couvercles de protection des deux caméras (situées sur des faces opposées de la sonde) éjectés au sol, et sur l’image du bas un bras extensible qui a permis l’analyse des roches
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11528/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 420k
Légende Fig. 3 – Carte topographique de la planète Vénus obtenue à partir des observations du radar orbital Magellan de la NASA en 1995. L’altitude du relief est codée en couleur, avec les plaines les plus basses (Planitia) en bleu sombre, puis vert, beige et blanc pour les plus hauts reliefs (avec la permission de Calvin J. Hamilton)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11528/img-3.jpg
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Légende Fig. 4 – Profils de température de la Terre (bleu) et de Vénus (vert). Il n’y a pas de stratosphère sur Vénus, où la température au sol atteint 464 °C, à cause d’un puissant effet de serre. Les nuages d’acide sulfurique de Vénus s’étendent de 45 à 78 km d’altitude environ. La haute atmosphère de Vénus du côté nuit a été nommée cryosphère, car elle est très fortement refroidie par le rayonnement du gaz carbonique. La sonde ESA Venus Express a découvert, vers 90-110 km, une couche d’air chaud, lié à la descente dans la nuit des masses d’air en provenance du côté jour, dans le régime de circulation de la haute atmosphère qui va du point sub-solaire (jour) au point anti-solaire (nuit)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11528/img-4.jpg
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Légende Fig. 5 – Cette image composite en fausses couleurs est une vue depuis la sonde Venus Express de l’ESA, mise en orbite en 2006. La partie supérieure (bleue) est un cliché pris en ultra-violet de l’hémisphère de jour, où l’on décèle au sommet des nuages des marques enroulées en spirale, dans la combinaison de la super-rotation et d’un vent faible soufflant de l’équateur au pôle. En bas, côté nuit : on détecte de la lumière infra-rouge émise par le sommet des nuages, plus intense quand la température est plus élevée, ce qui correspond aux nuages moins épais. Ces structures infra-rouges s’organisent aussi en spirales qui s’enroulent autour du vortex polaire sud. ESA/VMC/MPI/Markiewicz et/VIRTIS/Piccioni/INAF-IASF/Drossart/Obs. de Paris-LESIA
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Légende Fig. 6 – Le vortex du pôle sud de Vénus observé par l’instrument VIRTIS à bord de Venus Express, à une longueur d’onde infra-rouge de 3,8 microns qui sonde les nuages. L’intensité est liée à la température des nuages. La région sombre est celle où la température est la plus élevée, donc où l’altitude est la plus basse. Cette dépression est forcée par le flot descendant d’air dans le vortex, dont le centre est proche du pôle sud, et la grande dimension de l’ellipse est de 3 000 km. ESA/VIRTIS/Piccioni/INAF-IASF/Drossart/Obs. de Paris-LESIA
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11528/img-6.jpg
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Légende Fig. 7 – Cartographie des émissions lumineuses sur la face nuit de Vénus. À gauche, il s’agit de l’émission UV par les molécules d’oxyde nitrique NO émise lors de la recombinaison d’atomes O et N, produits du côté jour à haute altitude, et qui retombent dans la nuit. À droite, c’est l’émission dans le proche infrarouge, à 1,27 µ de la molécule d’oxygène O2, produite par le recombinaison de 2 atomes de O. Le maximum d’intensité de O2 est centré sur minuit, tandis que le maximum d’émission de NO est déplacé du côté du matin, vers 2 heures locale, dans le sens de la super-rotation. ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA, ESA/SPICAV/CNRS/LATMOS et Cox/LPAP, Liège
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Auteur

Directeur de recherche émérite du CNRS au laboratoire LATMOS de l’Université de Versailles-Saint-Quentin. Il a participé à de nombreuses missions spatiales, en imaginant et en dirigeant la construction d’instruments de mesure principalement dédiés à l’étude des atmosphères de la terre et des autres planètes, en particulier Mars et Vénus. Il est actuellement responsable de l’expérience SPICAV sur la sonde Venus Express de l’ESA (Agence Spatiale Européenne), en orbite autour de Vénus depuis le 11 avril 2006. Il est l’auteur d’un livre consacré à la comète de Halley : De l’autre côté du Soleil (Albin Michel)

© CNRS Éditions, 2010

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