Les marées gravitationnelles à l’origine des écoulements des vents en zone sur Jupiter

(Source : CNRS)

Les atmosphères de Jupiter et de Saturne sont caractérisées par la présence de bandes parallèles correspondant à des zones d’écoulements de vents très rapides, plus de 100 m/s. Une équipe internationale conduite par des chercheurs de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre, associée au CNRS, a réalisé une expérience de laboratoire reproduisant ce phénomène. Ce sont les marées gravitationnelles qui seraient à l’origine de ces écoulements.

Les marées gravitationnelles ont fait l’objet de multiples études en géo- et astrophysique, et ce depuis plusieurs siècles. Au-delà du phénomène bien connu de flux et de reflux de la mer sur la plupart de nos rivages, les marées agissent également sur l’ensemble des enveloppes de toutes les planètes, où elles ont des conséquences aussi variées que la synchronisation de la rotation de la Lune sur sa révolution autour de la Terre, ou encore le volcanisme intense de Io, une des lunes de Jupiter.

Des chercheurs de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (CNRS, Aix-Marseille Université) et de l’Institute of Geophysics de Göttingen en Allemagne ont mis au point une expérience modèle de laboratoire pour étudier les écoulements générés par les marées dans les noyaux et les atmosphères des planètes. Ils ont, pour la première fois, démontré expérimentalement que les marées génèrent des vents zonaux axisymétriques et stationnaires, similaires aux célèbres bandes présentes à la surface de Jupiter. Un tel mécanisme pourrait prendre place génériquement dans toutes les planètes et étoiles, en complément des processus convectifs et turbulents déjà connus.

Le dispositif expérimental consiste en une sphère creuse en silicone, remplie d’eau et de particules microscopiques réfléchissantes permettant la visualisation des écoulements. La sphère est mise en rotation autour de la verticale tout en étant déformée par deux rouleaux symétriques simulant les marées gravitationnelles, et dont la rotation autour de la sphère est contrôlée indépendamment. La photo 1a, en-dessous, montre une coupe méridionale de l’écoulement. Chaque bande lumineuse correspond à un cisaillement fort entre deux cylindres fluides co-axiaux en rotation différentielle. La trace de ces mouvements en surface se traduit par des vents zonaux (1b) similaires aux bandes de Jupiter (1c). Des mesures du champ de vitesse dans le plan équatorial ont pu être réalisées en utilisant une méthode de vélocimétrie par images de particules (PIV) embarquée en rotation.