Atmosphère de Vénus

L'atmosphère de Vénus est principalement composée de dioxyde de carbone, avec un peu d'azote et des traces d'autres composés. La quantité d'azote dans l'atmosphère est relativement faible par rapport à la quantité de dioxyde de carbone, mais puisque l'atmosphère vénusienne est plus épaisse que l'atmosphère terrestre, la quantité d'azote totale est quatre fois supérieure à celle de la Terre (où l'azote représente 78 % de l'atmosphère)[8] - [3].

L'atmosphère contient de petites quantités de composés contenant de l'hydrogène, comme le chlorure d'hydrogène HCl et le fluorure d'hydrogène HF. On y trouve également du monoxyde de carbone CO, de la vapeur d'eau H₂O et aussi de l'oxygène moléculaire O₂[9] - [4]. Une grande partie de l'hydrogène H₂ de la planète semble s'être échappé dans l'espace[10], le reste ayant formé de l'acide sulfurique H₂SO₄ et du sulfure d'hydrogène H₂S. Par conséquent, l'hydrogène se trouve en quantité relativement limitée dans l'atmosphère vénusienne. La perte de quantités significatives d'hydrogène est mise en évidence par un ratio D/H très élevé dans l'atmosphère[4]. Le ratio est de 0,025, ce qui est plus élevé que le ratio terrestre de 1,6 × 10^-4[9]. De plus, dans la haute atmosphère de Vénus le ratio D/H est 1,5 fois plus important que partout ailleurs sur la planète[9]. Des observations spectrophotométriques effectuées avec un scanner au foyer Cassegrain du télescope de 152 cm de l'Observatoire austral (E.S.O.) à la Silla en 1979 et 1980 ont permis de mettre en évidence la présence de la molécule SO₂ dans l'atmosphère de Vénus[11].

Image en fausses couleurs de la basse atmosphère de Vénus obtenue par Galileo.

L'atmosphère vénusienne peut grossièrement être divisée en trois parties :

Les deux premières parties regroupent ce qui serait la troposphère :

• la basse atmosphère (lower haze region), entre 0 et 48 km d'altitude, qui est relativement éclairée. Le soleil n'y est visible que sous la forme d'un halo orangé dans les nuages ;
• la couche nuageuse (cloud region), épaisse (près de 37 km). Ces nuages s'étendent entre 31 et 68 km d'altitude (rappelons que nos nuages culminent à 10 km). Cette couche nuageuse opaque réfléchit la lumière solaire, ce qui explique la brillance de Vénus et empêche d'observer directement le sol vénusien depuis la Terre. La couche nuageuse peut se subdiviser en trois autres couches :
  • la couche inférieure ou basse (lower cloud region), de 31 à 51 km. De 31 à 48 km d'altitude, l'atmosphère est qualifiée de « brumeuse » à cause de la faible quantité de particules d'acide sulfurique qu'elle contient. Ces nuages d'acide sulfurique sont visibles depuis le sol comme des rubans de vapeur jaunis par l'acide qu'ils contiennent. De 48 à 51 km d'altitude, se trouve la couche la plus dense de l'atmosphère vénusienne, où dominent principalement de grosses particules de soufre (liquides comme solides) ;
  • la couche centrale ou principale (middle cloud region) de 51 à 52 km d'altitude, relativement claire ;
  • la couche supérieure ou haute (upper cloud region), de 52 à 68 km d'altitude. De 52 à 58 km d'altitude, elle consiste notamment en des gouttelettes d'acides sulfurique et chlorhydrique ainsi que des particules de soufre (liquides comme solides). Les gouttelettes d'acide sulfurique sont en solution aqueuse, constituées à 75 % d'acide sulfurique et à 25 % d'eau[12]. Enfin, la plus haute partie de la couche supérieure, de 58 à 68 km d'altitude, consisterait en une brume de cristaux de glace. Ce sont ces cristaux de glace qui donnent à Vénus son apparence si « laiteuse » depuis la Terre ;

La troisième partie est traitée dans la section concernant la haute atmosphère et l'ionosphère :

• la haute atmosphère (upper haze region), entre 68 et 90 km d'altitude, qui est tout à fait claire.

Schéma de l'atmosphère vénusienne.

Composition de l'atmosphère de Vénus. Le diagramme à droite est une vue étendue des éléments sous forme de traces qui représentent moins d'un millième du total.

L'atmosphère est divisée en plusieurs sections suivant l'altitude. La partie la plus dense, la troposphère, commence à la surface et s'étend jusqu'à près de 65 km d'altitude. À la surface, les vents sont lents[3] mais, au plus haut de la troposphère, la température et la pression sont similaires à celle de la Terre et les nuages vont à la vitesse de 100 m/s[13].

La pression atmosphérique à la surface de Vénus est 92 fois plus importante que sur Terre, où une telle pression n'existe qu'à 910 mètres sous la surface des océans. La masse totale atmosphérique est de 4,8 × 10²⁰ kg (480 millions de milliards de tonnes), soit 93 fois la masse de l'atmosphère terrestre[3] et plus du tiers de la masse des océans terrestres (1,4 milliard de milliards de tonnes). La pression à la surface de Vénus est si élevée que le dioxyde de carbone (CO₂) n'est techniquement plus un gaz, mais un fluide supercritique[14]. La densité de l'air à la surface est de 67 kg/m³, soit 6,5 % de celle de l'eau liquide sur Terre[3] et environ 50 fois la densité de l'air terrestre.

La grande quantité de CO₂ combiné à la vapeur d'eau et le dioxyde de soufre (SO₂) génèrent un fort effet de serre, retenant l'énergie solaire et augmentant la température à la surface à près de 740 K (467 °C), ce qui fait de Vénus la planète la plus chaude du Système solaire, bien que la planète ne reçoive que 25 % de l'énergie solaire reçue par Mercure[8]. La température moyenne de surface est bien supérieure à celle des points de liquéfaction du plomb : 600 K (327 °C) ; de l'étain : 505 K (232 °C) ; et du zinc : 693 K (420 °C). L'épaisse troposphère réduit aussi la différence de température existant entre le jour et la nuit, bien que la rotation rétrograde de la planète crée un jour solaire de 116,5 jours terrestres. La surface de Vénus reste 58,3 jours dans l'obscurité nocturne avant que le Soleil ne se lève à nouveau, perpétuellement caché par les nuages[3].

Évolution de la température en fonction de l’altitude.

La troposphère de Vénus contient 99 % de la masse de l'atmosphère. 90 % de l'atmosphère de Vénus se trouve entre la surface et 28 km d'altitude, en comparaison, 90 % de l'atmosphère de la Terre se trouve entre la surface et 10 km de haut. Les nuages, se trouvant sur la face plongée dans la nuit vénusienne, peuvent s'élever à 80 km au-dessus de la surface[16].

La région de la troposphère la plus similaire à la Terre est proche de la tropopause — la frontière entre la troposphère et la mésosphère qui se trouve à environ 50 km d'altitude[13]. D'après les sondes Magellan et Venus Express, la région comprise entre 52,5 et 54 km a une température allant de 293 K (20 °C) à 310 K (37 °C), et la région au-dessus de 49,5 km a une pression atmosphérique correspondant à la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer[13] - [17]. Les 50 à 54 km au-dessus de la surface serait donc l'endroit où les installations permettant une exploration habitée de la planète ou l'établissement d'une colonie seraient les plus faciles car un vaisseau habité serait capable de compenser les différences de températures et de pressions[18] - [7].

La couche nuageuse vénusienne effectue une rotation complète (le tour de la planète) en 4,2 jours terrestres. Ce mouvement de convection naturelle, qui s'effectue d'est en ouest (c'est donc un mouvement rétrograde au sens où les vents soufflent dans la direction opposée à la révolution de la planète autour du Soleil), est appelé super-rotation. Ces vents sont créés par le gradient barométrique et les forces centrifuges causant des flux zonaux (En comparaison, la circulation de l'atmosphère terrestre est générée par l'équilibre géostrophique)[4].

Le mouvement de super-rotation s'amorce vers 10 km d'altitude, puis s'amplifie régulièrement jusqu'à 65 km, où les vents à l'équateur atteignent des vitesses de l'ordre de 540 km/h. À partir de là, la vitesse des vents décroît de 3 m/s/km pour s'annuler vers 95 km. De même elle décroit suivant la latitude, atteignant probablement zéro aux pôles.

En d'autres mots, ces vents font le tour de la planète plus rapidement qu'elle ne tourne sur elle-même (cinquante fois plus vite que le sol)[18]. Toutefois, au niveau du sol, les vents n'atteignent pas plus de quelques kilomètres par heure (généralement moins de 2 m/s), mais du fait de la densité importante de l'atmosphère (un dixième de celle de l'eau à la surface), cette vitesse est suffisante pour éroder, et déplacer de la poussière et des rochers comme le ferait un ruisseau à une telle vitesse sur Terre[3] - [19].

Cette super-rotation a probablement influé la rotation de Vénus. En effet, la masse atmosphérique de Vénus est de l'ordre du dix-millième de la masse de la planète. Il y aurait eu un échange de vitesse entre la planète et son atmosphère pour conserver le moment cinétique total.

Représentation de la circulation atmosphérique sur Vénus.

De plus, la température est quasi constante et uniforme à la surface de la planète (sur la face éclairée comme sur la face cachée), assurée par les vents qui la balayent et qui permettent une répartition uniforme de la chaleur. Ceci explique donc l'écart si faible entre les températures observables. Ainsi, pendant les nuits vénusiennes d'environ 58 jours (terrestres), la température diminue très peu. Toutefois, il n'en est pas de même en altitude, où l'atmosphère est bien plus légère : à 100 km, la température varie quand même de +29 °C le jour à −143 °C la nuit.

L'air chaud remonte au niveau de l'équateur, là où le réchauffement solaire se concentre, et afflue aux pôles. Ce phénomène est appelé cellules de Hadley. Toutefois, ce phénomène ne se manifeste qu'en deçà de ±60° de latitude. Là, l'air commence à redescendre vers l'équateur sous les nuages. Cette interprétation de la circulation de l'air est prouvée par la distribution du monoxyde de carbone aux alentours de ±60° de latitude. Plus au nord, un autre type de circulation est observé. Il y a, au niveau des latitudes comprises entre 60° et 70°, des « cols polaires »[5]. Ils sont caractérisés par des températures allant de 30 à 40 K, ce qui est relativement bas par rapport à d'autres latitudes[5]. De telles températures sont probablement dues à un rafraichissement adiabatique[5].

Des structures étranges, connues sous le nom de vortex polaires, ont été observées[4]. Ce sont des tempêtes semblables à des ouragans géants (quatre fois plus grands que leurs analogues terrestres). Chacun de ces vortex a deux centres autour desquels ils tournent, prenant la forme d'un « S ». De telles structures sont appelées des dipôles polaires[5]. Les vortex tournent sur une période d'environ 3 jours dans le sens de la super-rotation de l'atmosphère[5]. La vitesse des vents est de 35 à 50 m/s sur leurs bords extérieurs et est nulle aux pôles[5]. La température au sommet des nuages constituant les vortex est de près de 250 K (−23 °C)[5].

Le premier vortex de Vénus (celui du pôle Nord) fut découvert par la mission Pioneer Venus en 1978[20]. Le deuxième vortex de Vénus (au pôle Sud) fut découvert en 2006 par Venus Express[21].

La mésosphère de Vénus s'étend de 65 km à 120 km d'altitude, et la thermosphère commence à environ 120 km, atteignant probablement la limite supérieure de l'atmosphère (exosphère) entre 220 et 350 km[13]. L'exosphère est la partie de l'atmosphère où les collisions entre particules sont rares, considérées comme négligeables.

La mésosphère de Vénus peut être divisée en deux couches: la plus basse, de 62 à 73 km[Note 1] et la couche supérieure entre 73 et 95 km[13]. Dans la couche basse la température est presque toujours de 230 K (−43 °C). Cette couche coïncide avec la couche nuageuse supérieure. Dans la seconde couche la température recommence à baisser atteignant 165 K (−108 °C) à l'altitude de 95 km, où la mésopause commence[13]. C'est la région la plus froide de l'atmosphère vénusienne durant le jour[9].

La circulation dans la haute mésosphère et la thermosphère de Vénus est complètement différente de la circulation dans la basse atmosphère[9]. Aux altitudes de 90–150 km, l'air vénusien se déplace de la partie ensoleillée vers la partie située dans l'obscurité, avec la remontée de l'air du côté éclairé et une chute de l'air du côté sombre. Le courant descendant de la partie sombre entraine un réchauffement adiabatique de l'air, ce qui forme une couche chaude dans la partie nocturne de la mésosphère aux altitudes de 90–120 km[9]. La température dans cette région (230 K soit −43 °C) est plus élevée que la température que l'on trouve ailleurs dans la thermosphère (100 K soit −173 °C)[9]. L'air provenant de la face éclairée de la planète apporte aussi des atomes d'oxygène, qui après recombinaison forment des molécules d'oxygène singulet (¹Δ_g) qui émettent, par relaxation, des photons à 1,27 μm de longueur d'onde, dans l'infrarouge. La partie non-éclairée de la haute mésosphère et thermosphère de Vénus est source d'émissions non-ETL (Équilibre thermodynamique local) de molécules de CO₂ et de NO, qui sont responsables des basses températures de cette partie de la thermosphère.

La sonde Venus Express a montré grâce à l'occultation stellaire que la brume atmosphérique s'étendait plus haut du côté obscur que du côté ensoleillé. Sur cette dernière la couche nuageuse a une épaisseur de 20 km et s'étend jusqu'à 65 km, tandis que sur la face obscure la couche de nuages atteint les 90 km d'altitude — jusque dans la mésosphère, allant jusqu'à 105 km sous la forme d'une brume translucide[16].

Vénus a une ionosphère situé entre 120 et 300 km d'altitude[13]. L'ionosphère coïncide presque avec la thermosphère. Les hauts niveaux d'ionisation sont maintenus seulement du côté éclairé de la planète. Du côté non-éclairé les électrons ne sont presque pas présents[13]. L'ionosphère de Vénus se compose de trois couches principales : la première de 120 à 130 km, la seconde entre 140 et 160 km et la troisième entre 200 et 250 km[13]. Il y a probablement une couche intermédiaire vers 180 km. La densité maximum d'électrons de 3 × 10¹¹ m^-3 est atteinte dans la seconde couche au point subsolaire[13]. La limite supérieure de l'ionosphère — l'ionopause — est comprise entre une altitude de 220 et 375 km[22] - [23]. L'ion principal des deux premières couches est l'ion O₂⁺, et dans la troisième les ions O⁺ dominent[13].

Vénus interagit avec le vent solaire.

Vénus est connue pour son absence de champ magnétique[22] - [23]. La raison de cette absence n'est pas connue, mais est probablement liée à la rotation de la planète ou au manque de convection dans le manteau. Vénus a seulement une magnétosphère induite formé par le champ magnétique solaire transporté dans le vent solaire[22]. Ce processus consiste dans le fait que le champ magnétique frappe un obstacle — ici Venus. La magnétosphère de Vénus a une onde de choc, une magnétogaine, et une magnétopause[22] - [23].

Au point subsolaire l'onde de choc se trouve à 1 900 km (0,3 R_v, où R_v est le rayon de Vénus) au-dessus de la surface de Vénus. Cette distance a été mesurée en 2007 lors d'une activité solaire minimum[23]. Lors de l'activité solaire maximum cette distance peut être plus importante[22]. La magnétopause se trouve à une altitude de 300 km[23]. La limite supérieure de l'ionosphère (ionopause) est proche de 250 km d'altitude. Entre la magnétopause et l'ionopause il existe une barrière magnétique — un champ magnétique localisé — qui empêche le plasma solaire de pénétrer profondément dans l'atmosphère de la planète, au moins lors de l'activité solaire minimum. Le champ magnétique de cette barrière atteint les 40 nT[23]. La magnétoqueue s'étend jusqu'à 10 rayons de la planète. C'est la région la plus active de la magnétosphère vénusienne. Il y a des recombinaisons et des accélérations de particules dans la queue. L'énergie produite par les électrons et les ions dans la magnétoqueue est respectivement de 100 eV et de 1 000 eV[24].

À cause de l'absence de champ magnétique, le vent solaire pénètre relativement profondément dans l'exosphère de la planète et causes des pertes atmosphériques[25]. Les pertes se font principalement via la magnétoqueue. Actuellement les pertes d'ions principales sont celle de O⁺, H⁺ et de He⁺. Le ratio des pertes d'hydrogène sur oxygène s'approche de 2 (i.e. Stœchiométrie) indique les pertes d'eau[24].

Vénus en vraies couleurs, telle que l'on peut la voir à l'œil nu (par Mariner 10 lors de la mission de 1973 à 1975).

Les nuages vénusiens sont épais et composés de dioxyde de soufre et de gouttelettes d'acide sulfurique[27]. Ces nuages reflètent 75 %[Note 3] de la lumière solaire qui les atteint[3].

La couverture nuageuse est telle que seule une petite partie de la lumière peut la traverser et toucher la surface, et le niveau de lumière est seulement d'environ 5 000 lux avec une visibilité de trois kilomètres. À ce niveau peu ou pas d'énergie solaire peut être collectée par une sonde. L'humidité à ce niveau est de 0,1 %[28].

L'acide sulfurique est produit dans la haute atmosphère par l'action photochimique du Soleil sur le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre, et la vapeur d'eau. Les photons ultraviolets d'une longueur d'onde inférieure à 169 nm peuvent photodissocier le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en atome d'oxygène. Un atome d'oxygène est hautement réactif : quand il réagit avec du dioxyde de soufre il forme du trioxyde de soufre, qui peut se combiner avec la vapeur d'eau pour former de l'acide sulfurique.

CO₂ → CO + O SO₂ + O → SO₃ SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Les pluies d'acide sulfurique n'atteignent jamais le sol (cf. ci-dessous).

Photographie (en ultraviolet) prise par Galileo en route pour Jupiter en 1990.

Les fréquentes pluies vénusiennes d'acide sulfurique (H₂SO₄) n'atteignent jamais le sol, mais s'évaporent à cause de la chaleur avant d'atteindre la surface, ce phénomène est connu sous le nom de virga[29]. Parties entre 48 et 58 km d'altitude (donc de la couche nuageuse), ces gouttes d'acide, arrivées à environ 30 km d'altitude, vont rencontrer des températures telles qu'elles finissent par s'évaporer. Les gaz issus de l'évaporation remontent alors pour réalimenter les nuages.

En effet, l'acide sulfurique s'évapore vers 300 °C ; mais vers cette température il se décompose en eau, oxygène et dioxyde de soufre. Ce sont ces gaz qui sont produits par les gouttes au-dessus de 300 °C, donc bien avant d'arriver au sol (à 470 °C).

Les nuages de Vénus peuvent produire des éclairs rouges (jusqu'à 25 par seconde) au même titre que les nuages terriens[30]. L'existence de ces éclairs a longtemps été sujet de controverses depuis leur détection par la sonde Venera. Toutefois en 2006–2007 Venus Express a détecté des vagues électromagnétiques, dont la cause est attribué aux éclairs. De même la sonde Pioneer Venus y a même enregistré le grondement quasiment permanent du tonnerre, grondement constant causé par une atmosphère vénusienne très dense et qui augmente donc la propagation du son.

Lorsque la sonde Cassini-Huygens a survolé à deux reprises Vénus avant de partir pour Saturne, on enregistra toutes les émissions provenant de Vénus afin de déceler d'éventuelles décharges électriques. Mais absolument rien ne fut détecté. Trois hypothèses sont actuellement admises : soit il n'y a finalement pas d'éclairs d'orage dans l'atmosphère de Vénus, soit ils sont cent fois plus faibles que sur Terre (et n'ont donc pas pu être enregistrés), soit ils sont extrêmement rares et ne se sont pas produits lors des survols de la sonde.

Les scientifiques déclarent que l'absence d'éclair n'est pas une surprise. En effet, les décharges électriques sont créées par des mouvements verticaux des masses nuageuses. Or l'on a vu plus haut que la circulation atmosphérique vénusienne s'effectue surtout de façon horizontale.

Comme la Terre, Vénus possédait autrefois de grandes quantités d'eau (on parle d'océans) ; cependant celle-ci s'est complètement évaporée du fait de la proximité de Vénus par rapport au Soleil (Vénus est 1,38 fois plus proche du Soleil que la Terre) et elle reçoit ainsi presque deux fois (1,91) le flux énergétique reçu par la Terre. La vapeur d'eau, un agent connu de l'effet de serre extrêmement actif, a fait s'emballer le climat vénusien. Maintenant, le climat de Vénus est très sec.

La vapeur d'eau a dû être dissociée par le rayonnement ultraviolet solaire, comme cela se produit encore actuellement.

• L'hydrogène issu de cette décomposition a été rapidement évacué par le vent solaire, perdu à jamais.
  Le deutérium (isotope lourd de l'hydrogène), s'échappant plus lentement, s'est ainsi concentré relativement à l'hydrogène.
• L'oxygène produit en même temps est resté sur la planète, et s'est combiné avec les roches de la croûte, et d'autant mieux en raison des hautes températures de surface.

De plus, la croûte vénusienne a dû se dessécher en profondeur, la vapeur d'eau présente actuellement doit être issue de ce dégazage résiduel.

Cela a dû empêcher l'apparition d'une tectonique des plaques de type terrestre, qui aurait pu se produire sur Vénus si elle avait connu (et continué à avoir) un climat de type terrestre avec des océans. En effet, sur Terre la croûte est constamment hydratée (et refroidie) à ses dorsales par l'eau des océans. En l'absence d'eau et avec des températures élevées, la croûte vénusienne ne peut avoir de subduction, Vénus a donc développé une tectonique à plaque unique.

D'après le tableau qui suit, la température à la surface de Vénus est très élevée et ne varie que très peu.

Ces températures ne résultent pas directement de la proximité du Soleil : en fait, l'épaisse couche nuageuse vénusienne réfléchit près de 65 % de la lumière (solaire) incidente. Ainsi, le flux net d'énergie solaire au niveau du sol est inférieur à celui reçu par la Terre (voir tableau suivant).

• on a affaire à une atmosphère dense (épaisse) et non pas à une pression partielle faible comme pour la Terre ou Mars.

Le dioxyde de carbone, constituant majoritaire de l'atmosphère vénusienne, est le principal responsable de l'effet de serre sur Vénus. Mais la couverture nuageuse, la vapeur d'eau, même si elle est en faible quantité, et le dioxyde de soufre y contribuent également[31] - [32].

L'effet de serre dû à l'atmosphère vénusienne est ainsi de près de 505 °C contre seulement 33 °C pour la Terre. C'est pourquoi la surface vénusienne est actuellement plus chaude que celle de Mercure, bien que Vénus soit presque deux fois (1,869) plus éloignée du Soleil que Mercure.

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• (en) Mikhail Ya. Marov, « Mikhail Lomonosov and the discovery of the atmosphere of Venus during the 1761 transit », Proceedings of the International Astronomical Union,‎ 2004 (DOI 10.1017/S1743921305001390, lire en ligne)
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• (en) C.T. Russell, T.L. Zhang et M. Delva, « Lightning on Venus inferred from whistler-mode waves in the ionosphere », Nature, vol. 450,‎ 2007 (DOI 10.1038/nature05930, lire en ligne)
• (en) T.L. Zhang, M. Delva et W. Baumjohann, « Little or no solar wind enters Venus' atmosphere at solar minimum », Nature, vol. 450,‎ 2007 (DOI 10.1038/nature06026, lire en ligne)

• Vénus (planète)

• L'atmosphère et les nuages de Vénus
• Atmosphères : Formation & Vénus
• Vénus: une atmosphère de plus en plus surprenante sur Techno-science.net (on peut y voir un vortex polaire en activité)
• VIRTIS éclaire l'atmosphère de Vénus (CNES)