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Une première détermination semi-empirique de la composition des lacs de Titan

par webmaster - publié le

Le plus important satellite de Saturne, Titan, possède de nombreuses caractéristiques qui en font un objet unique. Parmi celles-ci, la présence de lacs a été détectée dès 2007 grâce au RADAR de la sonde CASSINI. Des modèles thermodynamiques et photochimiques de l’atmosphère prédisent une composition dominée par des hydrocarbures ; cependant la détermination directe de la composition de ces lacs par spectroscopie reste impossible du fait d’une forte abondance de méthane dans l’atmosphère. Tout au plus la présence d’éthane a pu être confirmé. A l’Université d’Arkansas, les conditions régnant dans les régions polaires de Titan ont pu être reproduites in vitro. Ainsi, la mesure des taux d’évaporation du méthane a permis, via un modèle numérique mis au point à l’Institut UTINAM de Besançon, d’interpréter le recul des berges du lac « Ontario Lacus ». Cette interprétation suggère une phase liquide majoritairement composée d’éthane, accompagné de 15 à 30 % de méthane, dans lesquels se dissolvent 5 à 10 % de diazote.


Vue d’un lac d’hydrocarbures à la surface de Titan, tel qu’on peut l’imaginer, seulement agité par des vagues de très faible amplitude (vue d’artiste).

Les lacs de Titan, qui ont des tailles comparables à celles des Grands Lacs nord américains, sont les seules étendues liquides du système solaire ; ceci si on excepte les océans terrestres. Des indices observationnels forts indiquent qu’ils participent sans doute à un cycle « hydrologique » lié au méthane ; et sont probablement alimentés par des précipitations exotiques, dont un composant majeur devrait être l’éthane. Ces formations lacustres présentent également un potentiel exobiologique, pour lequel les hydrocarbures liquides joueraient un rôle de solvant. En 2008, les observations spectroscopiques réalisées par l’instrument VIMS à bord de CASSINI, ont indiqué la présence d’éthane liquide dans Ontario Lacus ; un grand lac de la région polaire sud. Depuis, ce sont essentiellement des simulations numériques, reposant sur l’hypothèse d’équilibres thermodynamiques entre les phases liquides et l’atmosphère, qui ont alimenté les travaux concernant la composition de ces lacs.
Une nouvelle approche, développée à l’Université d’Arkansas pour son volet expérimental et à l’Institut UTINAM de Besançon concernant les aspects numériques, permet de nouvelles estimations.
Initialement utilisée pour mener des expériences concernant Mars, la chambre expérimentale « Andromeda » de l’Arkansas Center for Space and Planetary Sciences, a été adapté au contexte de Titan. Ainsi un mélange d’éthane et de méthane, en quantités variables, est refroidi aux environs de 90 K (-183°C) tout en étant surmonté d’une atmosphère de diazote à une pression typique de la surface de Titan (i.e. 1,5 bar). Après une phase transitoire, un régime permanent d’évaporation s’établit. Une balance suit la masse de liquide en fonction du temps, et le taux d’évaporation peut en être déduit. On a pu montrer que seul le méthane s’évapore de façon appréciable, et que son taux d’évaporation est d’autant plus important que la concentration d’éthane est faible.
Le modèle numérique, développé spécifiquement pour cette expérience, est basé d’une part sur le formalisme d’Ingersoll concernant l’évaporation, et d’autre part sur l’équation d’état PC-SAFT. Cette dernière, largement utilisée en génie chimique, a fait preuve, pour un grand nombre de systèmes, d’excellentes performances. Ce modèle, permet de relier un taux d’évaporation donné, à la composition de la phase liquide.
En 2011, Alexander Hayes et ses collaborateurs ont quantifié la réduction de volume de liquide d’Ontario Lacus, ceci sur la base du recul de ses berges observé à partir de Cassini. Si cette perte de liquide est attribuable uniquement à l’évaporation, et non pas à l’alimentation d’un éventuel « alkanofère » souterrain, la composition d’Ontario Lacus peut être estimée. C’est ce qui a été réalisé au cours des travaux dont il est question ici. L’interprétation des observations de Hayes et al. conduisent donc à une phase liquide formée de 15 à 30% de CH4 (méthane), 50 à 80% de C2H6 (éthane), et de 5 à 10% N2 (diazote).
Globalement ces résultats sont en accord avec les précédentes estimations, il serait maintenant très intéressant de pouvoir appliquer la méthode à d’autres lacs. Bien sûr, une analyse plus fine de la composition est inatteignable avec ce type d’approche. Ces résultats encouragent une exploration plus approfondie de Titan. Des concepts de mission incluant une exploration in situ par un ballon, via un atterriseur ou impliquant même un drône, un bateau ou un sous-marin, sont actuellement à l’étude.

Note(s) :
La mission CASSINI/Huygens : http://saturn.jpl.nasa.gov
http://sci.esa.int/cassini-huygens

Alkanofère : néologisme désignant un analogue des aquifères terrestres, mais remplis par un mélange de méthane et d’éthane à l’état liquide.

Source(s) :
« Experimental Constraints on the Composition and Dynamics of Titan’s Polar Lakes », A. Luspay-Kuti, V. F. Chevrier, D. Cordier, E. G. Rivera-Valentin, S. Singh, A. Wagner, F. C. Wasiak, Earth and Planetary Science Letters (EPSL), 2015, 410C, 75-83.

Contact(s) :
Adrienn Luspay-Kuti, Southwest Research Institute (SwRI), San Antonio, Texas, USA.
aluspaykuti chez swri.edu

Vincent Chevrier, University of Arkansas, Fayetteville, Arkansas, USA.
vchevrie chez uark.edu

Daniel Cordier, Institut UTINAM/OSU THETA, Besançon.
daniel.cordier chez obs-besancon.fr