Planétologie/La planète Uranus

Uranus est une planète gazeuse de type neptunien, très similaire à Neptune mais différente de Jupiter et Saturne. D'une masse de quatorze fois celle de la Terre, Uranus partage diverses caractéristiques avec les autres planètes gazeuses : un champ magnétique, des anneaux, des satellites, une atmosphère, etc.

Comparaison de taille entre la Terre et Uranus.

Vu sa distance du Soleil, il est très difficile de l'observer, raison pour laquelle peu de choses sont connues sur cette planète. Heureusement, la sonde spatiale Voyager 2 a frôlé son orbite, ce qui a permis d'observer sa surface, mais aussi de mesurer son champ magnétique. Par contre, les photographies de la sonde montraient une atmosphère assez sage, uniforme, sans structures visibles. Mais les observations réalisées plus tard, dans les années 2007-2008, avec le télescope Keck ont permis d'observer une activité atmosphérique assez soutenue, avec des cyclones de grandes tailles. Ces structures ont cependant disparu depuis, et on suppose que l'atteinte de l'équinoxe par la planète a joué un rôle dans l'apparition des cyclones. Mais fermons cette parenthèse, nous y reviendrons.

La rotation d'Uranus et son champ magnétique

Une particularité d'Uranus est sa rotation, assez particulière. Celle-ci est illustrée dans le schéma ci-dessous. Au lieu de tourner à la perpendiculaire de l'écliptique, son axe de rotation est presque parallèle à celui-ci. La planète est comme penchée sur l'écliptique, au point que son axe de rotation est dirigé vers le Soleil. Chose importante, les satellites d'Uranus tournent autour de la planète sur le plan équatorial. Cela incite à penser que la planète tournait sur elle-même normalement, avant qu'un évènement catastrophique la couche sur son orbite. Reste que l'on ne sait pas quel est cet évènement : si certains suggèrent des impacts d'astéroïdes très violents, d'autres supposent que des phénomènes gravitationnels impliquant un satellite en seraient la cause.

On se doute que la rotation bizarre de la planète a un effet sur son champ magnétique, la première engendrant le second. Et les résultats sont vraiment intrigants. Le champ magnétique de la planète est lui aussi penché par rapport à l'écliptique, mais pas autant que l'axe de rotation. Les deux forment un angle assez important, de près de 59°, l'axe du champ étant totalement penché par rapport à l'axe de rotation de la planète. Et pire : l'axe du champ magnétique ne passe pas du tout par le centre de la planète, ni même à côté !Ajoutons à cela que le champ est beaucoup plus fort au niveau du pôle sud que du pôle nord, ce qui n'est pas le cas sur Terre ou sur les autres planètes telluriques... Heureusement, ces différences ne modifient pas franchement le fonctionnement de la magnétosphère d'Uranus par rapport aux autres planètes : on y retrouve des aurores polaires, la magnétosphère est structurée comme celle des autres planètes, etc.

Rotation et champ magnétique d'Uranus.

La structure interne d'Uranus

Structure interne d'Uranus.

La structure interne d'Uranus est assez similaire de celle de Jupiter et de Saturne. Celle-ci partage avec les précédentes un noyau rocheux solide, une couche de glaces et une gigantesque atmosphère gazeuse. Comme pour Jupiter et Saturne, l'atmosphère des géantes de glace est composée d’hydrogène et d'hélium, avec des traces de méthane. Mais les différences avec Jupiter/Saturne sont importantes à souligner.

Première différence : la couche de glaces d'eau, d'ammoniac et de méthane est bien plus volumineuse que sur Jupiter ou Saturne. Son volume est même largement supérieur à celui du noyau central, contrairement à ce qu'on observe sur les géantes gazeuses. De plus, on ne retrouve pas la couche d'hydrogène métallique dans les géantes de glace. La raison à cela est que la pression à l'intérieur des géantes de glace n'est pas asse importante. Le gaz doit donc être dans un état assez différent de l'état métallique, mais malgré tout très dense. Et surtout, cette couche de gaz est conductrice : sans cela, les géantes de glace n'auraient pas de champ magnétique.

Pour résumer, les géantes gazeuses sont constituées de quatre couches :

• un noyau rocheux solide ;
• une couche de glaces solides ;
• une couche gazeuse ionisée, conductrice ;
• une atmosphère gazeuse non-conductrice.

L'atmosphère d'Uranus

L'absence de chaleur interne et l'éloignement du Soleil fait que l'atmosphère d'Uranus est plus calme que celle de Jupiter ou de Saturne. Elle semble relativement homogène dans les résultats des observations radar, avec cependant des vents assez forts et relativement inexpliqués.

La composition chimique d'Uranus

L'atmosphère a une composition chimique semblable à celle de Jupiter et de Saturne, à savoir qu'elle est riche en hydrogène et en hélium, avec cependant un peu plus de méthane, d’eau et d'ammoniac. Cela traduit sa nature de géante de glace, riche en eau et en éléments volatils. Sa composition chimique ressemble beaucoup à celle du Soleil, sauf sur quelques points. Le principal est que l'atmosphère d'Uranus a un excès en Carbone, comparé au Soleil, mais aussi à Jupiter et Saturne. Le rapport carbone/hydrogène est près de 30 à 40 fois plus élevé que pour le Soleil, alors que Jupiter et Saturne ont un rapport C/H seulement 3 fois plus élevé. Une explication serait qu'Uranus se serait formé assez tard, après que le vent solaire ait soufflé une grande partie de l'hydrogène du disque protoplanétaire.

Élément chimique	Quantité
Dihydrogène	83 %
Hélium	15 %
Méthane	1,99 %
Ammoniac	0,01 %
Éthane	0,00025 %
Acétylène	0,00001 %
Monoxyde de carbone	Traces
Sulfure d'hydrogène	Traces

Du fait de la présence de Carbone en grandes quantités, Uranus est riche en méthane, mais aussi en hydrocarbures, dont les concentrations sont très importantes. On y trouve du CO (monoxyde de carbone), de HCN, et bien d'autres. Leur présence serait liée à la lyse du méthane atmosphérique, dont les résidus s'associeraient entre eux.

La composition chimique d'Uranus explique la couleur de son atmosphère, fort différente de celle de Jupiter et de Saturne. Jupiter et Saturne ont une couleur qui varie entre le blanc sale et le brun légèrement foncé, rarement rouge-orangée dans les bandes sombres. À l'inverse, Uranus et Neptune ont des couleurs plus proches du bleu, voire du vert-turquoise. C'est justement la présence de méthane qui leur donne cette couleur particulière. Les autres planètes géantes n'ont pas assez de méthane pour prendre ces teintes bleu-vert.

La structure verticale de l'atmosphère d'Uranus

Tout comme pour les autres planètes gazeuses, l'atmosphère d'Uranus contient une troposphère, une stratosphère et une thermosphère. Comme sur les autres planètes gazeuses, les nuages troposphériques sont des nuages d'eau, ou d'ammoniac ou d'hydrosulfure d'ammoniac. Des nuages de méthane sont possibles, sous certaines circonstances.

Profil des températures de la troposphère d'Uranus

Les vents et variations horizontales

Il y a peu de formations nuageuses de grande taille, contrairement aux planètes géantes précédentes. Si, comme sur Jupiter et Saturne, on observe une structuration en bandes horizontales séparées, cela ne se voit pas dans les diagrammes de vitesse des vents. La vitesse des vents augmente ne subit pas de sauts avec la latitude, mais augmente progressivement avec elle. Chose étrange, le vent souffle dans le sens contraire de la rotation de la planète au niveau de l'équateur. Ce n'est qu'au niveau des pôles et des hautes latitudes que, la vitesse du vent augmentant avec la latitude, le vent se met à souffler dans l'autre sens.

Vitesse des vents d'Uranus