LES VENTS DE TITAN ACCÉLÈRENT D'UN TIERS EN 27 JOURS

Titan, la plus grande lune de Saturne, possède une atmosphère épaisse — 1,45 bar au sol — faite d’environ 98 % d’azote et 2 % de méthane, avec toute une chimie de nitriles et d’hydrocarbures. Elle tourne lentement, une fois tous les 15,9 jours terrestres. Pourtant son atmosphère est en superrotation : des vents font le tour de la lune entière bien plus vite que ne tourne le corps solide.

Ces vents ont d’abord été déduits indirectement, puis confirmés sous 150 km par des mesures Doppler de la mission Cassini-Huygens. Ils mélangent les espèces chimiques entre le jour et la nuit, aident à piéger des molécules dans le vortex polaire d’hiver, et façonneraient les dunes organiques de Titan. Mais les mesurer près de l’équateur est difficile : la méthode fondée sur les cartes de température de Cassini y échoue.

Une surprise en 2016-2017

Des observations antérieures avec ALMA, le grand réseau de radiotélescopes millimétriques et submillimétriques de l’Atacama, au Chili, avaient trouvé quelque chose d’inattendu : entre août 2016 et mai 2017, le vent équatorial vers 1 000 km d’altitude avait chuté de 47 %, de 373 à 196 mètres par seconde. Les modèles climatiques de Titan, dont le sommet s’arrête vers 500 km, ne produisent pas de tels écarts.

Martin Cordiner, du centre Goddard de la NASA, et des collègues de Yale, Bristol, Caltech, du Space Telescope Science Institute et d’autres institutions ont voulu observer une couche plus basse de l’atmosphère, sur une plus longue durée.

Lire le vent dans une molécule

L’équipe a observé l’acétonitrile (CH₃CN), une molécule de l’atmosphère de Titan, à cinq nouvelles dates entre juin 2022 et mai 2023, et réanalysé deux dates d’archive de 2016 et 2017. Sur un bord de la lune, le gaz vient vers nous ; sur l’autre, il s’éloigne. Le minuscule décalage de fréquence de ses raies radio — l’effet Doppler — donne la vitesse du vent.

La mesure est la plus sensible vers 250 km d’altitude, sur une plage de 200 à 490 km — la haute stratosphère et la basse mésosphère. Les sept dates couvrent presque une saison complète de Titan, de la fin de l’automne austral à la fin de l’hiver austral.

Rapides et capricieux

• Les vents les plus rapides se trouvent toujours à moins d’une dizaine de degrés de l’équateur, jusqu’à 240 ± 26 m/s en août 2016.
• De 2016 à juin 2022, le vent des basses latitudes a ralenti régulièrement de 46 %, jusqu’à 130 m/s.
• Puis il a fluctué entre environ 130 et 170 m/s, avec des sauts d’environ 40 m/s.
• Entre le 12 avril et le 9 mai 2023 — seulement 27 jours terrestres, moins de deux jours titaniens —, il est passé de 120 à 159 m/s, soit 33 % de plus. Pendant ces mêmes semaines, les vents des hautes latitudes sont restés stables.

Les auteurs y voient la première détection de changements forts et continus des vents équatoriaux de Titan sur des durées d’environ un mois ou moins.

En 2022-2023, le profil des vents montrait aussi deux bosses : une bande proche de l’équateur et une seconde bande entre 40 et 60 degrés sud — le jet d’hiver prédit par les modèles et vu par Cassini.

Ce qui échappe aux modèles

Deux modèles de circulation générale de pointe, TitanWRF et TAM, reproduisent la lente tendance saisonnière : le long déclin, puis une remontée plus modérée. Aux hautes latitudes, leurs vitesses s’écartent d’environ 30 % au plus des observations.

Mais les modèles placent les vents les plus forts aux hautes latitudes d’hiver, vers 40 à 50 degrés sud, et leurs vents équatoriaux sont jusqu’à deux fois trop lents, l’écart étant maximal autour du solstice. Aucun ne restitue les sauts brusques d’un mois sur l’autre, du moins dans leurs moyennes sur dix ans. Les deux modèles donnent des résultats semblables alors que seul TAM inclut les nuages et la pluie de méthane : les processus humides compteraient donc peu à ces altitudes.

Des ondes dans un ciel qui tourne lentement

Les auteurs suggèrent que les changements soudains viennent d’instabilités atmosphériques. Dans les simulations, des ondes appelées instabilités de Rossby-Kelvin transportent du moment cinétique vers l’équateur et entretiennent la superrotation ; leur affaiblissement passager pourrait expliquer un ralentissement brutal. Autour du solstice, les données suggèrent aussi un transfert de moment cinétique vers le bas, des hautes altitudes vers les plus basses.

Leur recommandation aux modélisateurs : relever le sommet des modèles de Titan d’environ 500 à environ 1 000 km, affiner leur grille verticale, et continuer à observer avec ALMA. Un jet équatorial très variable au-dessus d’une lune qui tourne lentement est, notent-ils, un cas d’école pour d’autres atmosphères en superrotation, dans le Système solaire et au-delà.