Comparez les dunes de sable à travers le système solaire, de Vénus à Pluton

L’une des choses les plus intéressantes que nous pouvons apprendre en étudiant les planètes et les corps de notre système solaire est leur point commun. Mars a des calottes glaciaires polaires et des caractéristiques qui se sont formées en présence d’eau. Vénus est similaire à la Terre en taille, en masse et en composition et a peut-être déjà été recouverte d’océans. Et d’innombrables corps glacés dans le système solaire connaissent le volcanisme et ont une tectonique des plaques active, sauf avec de la glace et de l’eau au lieu du magma de silicate chaud. Une autre chose qu’ils ont en commun, qui peut vous surprendre, ce sont les dunes de sable !

Selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université Monash et de l’Université de Pennsylvanie, plusieurs planètes de notre système solaire ont des dunes de sable à leur surface – juste sous des formes différentes ! Ces caractéristiques indiquent en outre que les mécanismes de formation des dunes sont omniprésents dans tout le système solaire. Celles-ci pourraient conduire à de nouvelles méthodes pour évaluer les conditions de surface des planètes et des lunes et pourraient avoir des résultats significatifs pour les futures missions robotiques et avec équipage afin de les étudier de près.

La recherche a été menée par Andrew Gunn, maître de conférences en géographie physique à l’École de la Terre, de l’atmosphère et de l’environnement de l’Université Monash à Victoria, en Australie ; et Douglas J. Jerolmack, professeur au Département des sciences de la Terre et de l’environnement et de génie mécanique et de mécanique appliquée à l’Université de Pennsylvanie. L’article qui décrit leurs découvertes, “Conditions for aeolian transport in the Solar System”, est récemment paru dans la revue La nature.

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Barchan Dunes de Mars, capturé par la caméra HiRISE du MRO. Crédit : NASA/HiRISE/MRO/LPL (UofA)

Comme ils l’indiquent dans leur article, la simple présence de dunes de sable peut être utilisée pour déduire quelles conditions existent à la surface d’un corps astronomique. Plus précisément, ils ont examiné les deux critères qui doivent être satisfaits pour la formation de dunes de sable. Ceux-ci incluent la présence de sédiments meubles suffisamment solides pour survivre aux collisions et des vents suffisamment rapides pour transporter ces grains à travers la surface. Comme Gunn l’a expliqué dans un article avec La conversationceci est similaire aux études d’habitabilité – où les conditions de surface sont déduites sur une exoplanète en fonction de la proximité de son orbite par rapport à son étoile mère :

“Pour que les dunes existent même, il y a une paire de critères” Goldilocks “qui doivent être satisfaits. Le premier est un approvisionnement en grains érodables mais durables. Il doit aussi y avoir des vents assez rapides pour faire sauter ces grains sur le sol – mais pas assez rapides pour les transporter haut dans l’atmosphère.

« Jusqu’à présent, la mesure directe des vents et des sédiments n’était possible que sur Terre et Mars. Cependant, nous avons observé des caractéristiques de sédiments soufflés par le vent sur plusieurs autres corps (et même des comètes) par satellite. La présence même de telles dunes sur ces corps implique que les conditions Goldilocks sont remplies.

Pour leur étude, Gunn et Jerolmack se sont concentrés sur Vénus, la Terre, Mars, Titan (la plus grande lune de Saturne), Triton (la plus grande lune de Neptune) et Pluton. Dans tous les cas, les scientifiques ont noté la présence de caractéristiques semblables à des dunes et des indications que les surfaces de ces corps sont dynamiques (elles se déplacent dans le temps). Ces observations font l’objet de débats depuis des décennies en raison de la remarquable différence de ces environnements planétaires. Par exemple, Triton et Pluton ont tous deux des atmosphères extrêmement ténues que l’on pense incapables de déplacer les grains.

Mars a une atmosphère plus dense, mais les scientifiques la considèrent toujours comme trop soufflante pour générer les vitesses de vent nécessaires pour créer ses énormes tempêtes de poussière et un vaste système de dunes. En revanche, Titan possède une abondance de « grains » d’hydrocarbures à sa surface et une atmosphère dense capable de générer des vents plus forts. Au cours de sa descente dans l’atmosphère, l’atterrisseur Huygens a enregistré des vitesses de vent allant jusqu’à 120 m / s (430 km / h; 267 mi) dans la haute atmosphère. Les vitesses de vent plus près de la surface étaient relativement faibles (seulement quelques m/s) mais toujours assez fortes pour transporter des grains.

La mer de sable de Shangri-La sur Titan, photographiée par l’orbiteur Cassini. Crédit : NASA/JPL-Caltech/ASI

Vénus, quant à elle, a une atmosphère d’une densité étouffante (100 fois celle de la Terre) et des températures de surface moyennes suffisamment chaudes pour faire fondre le plomb. Et pourtant, il possède également de vastes dunes qui indiquent une capacité à déplacer les sédiments à sa surface de la même manière que le vent et l’eau le font sur Terre. Pour aider à résoudre le débat sur la façon dont les dunes de sable peuvent exister dans des environnements aussi exotiques et différents, Gunn et Jerolmack ont ​​créé un modèle qui prédit la vitesse du vent requise pour déplacer les sédiments sur ces corps et la facilité avec laquelle ils se briseraient dans ces vents.

Ce modèle résulte d’études antérieures examinant le contact, les gaz raréfiés et la mécanique statistique et d’adhérence des caractéristiques des dunes sur ces corps. Ces études étaient basées sur des données obtenues par de nombreuses missions robotiques comme le Orbiteur de reconnaissance de Mars (MRO), le Cassini Huygens mission, et la Nouveaux horizons mission – qui a effectué le tout premier survol de Pluton le 14 juillete2015. Ils ont ensuite testé ces prédictions par rapport aux données expérimentales et aux observations de ces corps pour tenir compte de variables telles que la gravité, la composition atmosphérique, la température de surface et la résistance des sédiments.

Comme l’a expliqué Gunn, des études antérieures sur les dunes de sable extraterrestres ont soit examiné les seuils de vitesse du vent nécessaires pour déplacer le sable sur ces corps, soit la force des particules de sédiments – mais pas les deux. Par conséquent, leur étude est unique dans la façon dont elle combine ces deux facteurs et comment ils fonctionnent ensemble dans différents environnements planétaires. Leur analyse pourrait éclairer la dynamique atmosphérique et environnementale de nombreux corps du système solaire. Gunn a dit :

†[W]ous savons que l’équateur de Titan a des dunes de sable, mais nous ne savons pas quels sédiments encerclent l’équateur. Est-ce de la brume organique pure qui pleut de l’atmosphère, ou est-elle mélangée à de la glace plus dense ? Il s’avère que nous avons découvert que des agrégats lâches de brume organique se désintégreraient lors d’une collision s’ils étaient soufflés par les vents à l’équateur de Titan. Cela implique que les dunes de Titan ne sont probablement pas constituées de brume purement organique. Pour construire une dune, les sédiments doivent être emportés par le vent pendant une longue période (certains sables des dunes de la Terre ont un million d’années).

Le littoral montagneux de Sputnik Planum sur Pluton.  De grands blocs de la croûte de glace d'eau de Pluton apparaissent coincés dans les montagnes officieusement nommées al-Idrisi.  Certains flancs de montagne semblent recouverts d'un matériau sombre, tandis que d'autres sont brillants.  Crédit : NASA/Laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins/Institut de recherche du sud-ouest.
Le littoral montagneux de Sputnik Planum sur Pluton. De grands blocs de la croûte de glace d’eau de Pluton apparaissent coincés dans les montagnes officieusement nommées al-Idrisi. Crédit : NASA/JHUAPL/SwRI

Leurs résultats ont également révélé que les sables soufflés par le vent génèrent plus de poussière sur Mars que sur Terre, ce qui pourrait signifier que le modèle ne capture pas efficacement les vents « catabatiques » de Mars. Ces fortes rafales de vent froid se produisent la nuit sur Mars et sont responsables du soufflage des sédiments vers le bas des collines. Quant à Pluton, ils ont découvert que la vitesse du vent devrait être excessivement rapide pour transporter des grains (que l’on pense être composés de méthane ou de glace d’azote), ce qui pourrait signifier que les caractéristiques repérées dans le Spoutnik Planitia de Pluton (illustré ci-dessus) pourraient être une sublimation. des vagues plutôt que des dunes.

Les résultats de cette étude pourraient avoir des implications importantes pour les recherches futures sur les planètes et les satellites naturels. Par exemple, les données obtenues par le Galilée le vaisseau spatial a révélé des caractéristiques semblables à des dunes sur la lune volcanique Io de Jupiter. Ici aussi, les scientifiques étaient sceptiques car l’atmosphère est trop mince pour accueillir autre chose que les vents les plus faibles. Cependant, une étude récente a montré qu’un mécanisme volcanique était responsable de leur formation.

Ces études montrent l’efficacité de combiner des simulations avancées avec des observations astronomiques. En créant un modèle capable de prédire le transport du vent et des grains sur d’autres corps, l’étude de Gunn et Jerolmack bénéficiera des nombreuses missions robotiques qui exploreront ces corps dans les années à venir. Par exemple, Mars sera visité par l’ESA Rosalinde Franklin voleur, Indes Mangalyan 2 orbiteur, JAXA Mars Exploration de la vie et de la recherche d’organismes (MELOS), et la NASA-ESA Exemple de mission de retour (SRM) avant la fin de la décennie.

Ces résultats pourraient également informer les missions avec équipage vers Mars que la NASA et la Chine espèrent monter d’ici le début des années 2030. NASA libellule La mission sera lancée en 2027 et arrivera sur Titan d’ici 2034 pour explorer sa surface, son atmosphère et ses lacs de méthane. Dans l’enquête décennale sur les sciences planétaires et l’astrobiologie (2023-2032), récemment publiée, une mission orbitale a été recommandée pour étudier le système Neptune-Triton. Nommé Neptune Odysséecette mission devrait provisoirement être lancée en 2031 et sera la première mission robotique à explorer Triton.

Lectures complémentaires : la conversationLa nature

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