Explorer les dunes ondulantes de notre système solaire

Nov 13, 2023

Des dunes de sable balayent le système solaire, créant des dérives sur n'importe quel monde avec le moindre soupçon de brise. Certains ressemblent aux éléments que nous connaissons sur Terre, constitués de morceaux de roche ou de glace, tandis que d'autres semblent beaucoup plus extraterrestres, construits uniquement à partir de matériaux organiques. De Mars à Pluton en passant par de minuscules comètes, la grande variété de dunes observées par les scientifiques peut aider à affiner les questions en suspens sur la formation des dunes sur Terre, tout en fournissant des informations sur les conditions passées et présentes sur des mondes lointains.

L'étude des modèles de dunes peut non seulement révéler des informations sur la composition de la surface d'un corps, mais aussi faire allusion à son histoire atmosphérique. Les atmosphères plus minces rendent plus difficile le lancement de particules dans l'air, de sorte que les anciennes dunes peuvent révéler comment le sable a plu du ciel lorsque des gaz plus épais ont recouvert un monde. Cela peut être critique sur des corps comme Mars, dont l'atmosphère lourde s'est lentement échappée au fil du temps, et Pluton, dont la densité atmosphérique augmente et diminue au fur et à mesure qu'elle se déplace autour du Soleil.

Comment construire une dune

Sur Terre, le sable est généralement construit en érodant le quartz. Mais il peut aussi comprendre des coquillages, du corail, du carbonate, des cendres volcaniques et même de la glace. Cela signifie que le sable peut se développer et se déposer non seulement sur les plages et les déserts, mais aussi dans les landes gelées de l'Antarctique. De plus, la définition du sable n'a rien à voir avec la composition et tout à voir avec la taille et la façon dont il est transporté : des particules suffisamment petites et suffisamment légères pour être projetées dans l'air. Sur Terre, cela représente environ 0,0025 à 0,08 pouce (0,06 à 2 millimètres) de diamètre. Sur d'autres mondes avec moins de gravité, les particules de sable peuvent être plus grosses.

Alors, comment passer des particules de sable aux dunes ondulantes ? La clé des dunes est le vent. "Tant qu'il y a un mouvement de molécules d'air, nous … nous retrouvons avec un champ éolien", ou un paysage sculpté par le sable déposé par le vent, explique Jani Radebaugh de l'Université Brigham Young de l'Utah. (Aeolean fait référence au dieu grec du vent, Aeolus.)

Malgré leur variété de composition, les dunes sur Terre se forment toutes à peu près dans les mêmes conditions et sont principalement limitées par la gravité, qui affecte la distance à laquelle le sable peut voler. En examinant la grande variété de mondes du système solaire recouverts de dunes, les scientifiques espèrent comprendre comment les dunes de sable se forment et se déplacent. L'idée de base est simple : le vent transporte le sable à la surface, finissant par l'entasser en dunes. Mais les détails sont là où les choses deviennent désordonnées. Le sable suit-il un modèle de dynamique des fluides, voyageant dans l'air autant qu'il nage dans l'eau pour créer des dunes sculptées par l'eau ? Ou obéit-il à un modèle de mécanisme d'impact, où le premier grain de sable soulevé par le vent soulève d'autres grains qui se soulèvent encore plus ?

Selon Serina Diniega, chercheuse au Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie, les deux modèles sont difficiles à distinguer sur Terre car leurs résultats prédits se ressemblent beaucoup. Mais modifier la pression atmosphérique et la gravité - par exemple en construisant des dunes sur un autre monde - devrait permettre de mieux comprendre quel modèle est correct. "Trouver des dunes sur d'autres corps, dans d'autres conditions, aide à faire la distinction entre des modèles que nous ne serions pas en mesure de tester sur Terre", dit-elle.

Heureusement, il y a beaucoup de dunes dans le système solaire.

Au début des années 1970, Mariner 9, en orbite autour de la NASA, semblait montrer Mars comme un monde mort et immuable semblable à la Lune de la Terre. Ce n'est que lorsque les missions Viking ont commencé à capturer des images à plus haute résolution de la planète rouge quelques années plus tard que les vues ont révélé des processus actifs, y compris des dunes de sable.

La plupart du sable martien semble être d'origine volcanique. Le basalte rocheux lancé de manière explosive à partir de volcans maintenant morts depuis longtemps s'est érodé en particules d'environ 0,002 à 0,02 pouce (0,05 à 0,5 mm) de diamètre sur des millions d'années. L'eau, qui a pu couler brièvement à travers la surface dans un passé lointain, aurait pu décomposer une partie du matériau rocheux en sable, mais aujourd'hui, le vent constitue la source d'érosion la plus répandue. Le vent est cependant inefficace par rapport à l'eau lorsqu'il s'agit d'éroder la roche en sable. Cela soulève la question de l'âge du sable martien : s'est-il formé lorsque l'eau a traversé la surface, ou est-ce que davantage de sable est encore créé aujourd'hui ? Au moins une partie du sable est recyclée car les particules altérées forment des roches sédimentaires qui sont ensuite retransformées en sable – Diniega suppose que la majeure partie l'est – mais après que les particules de sable se sont heurtées suffisamment de fois, elles se décomposent en poussière, que les géologues définissent généralement comme des particules. inférieure à environ 0,0025 pouce (0,06 mm). Ainsi, le fait que Mars ait encore du sable suggère soit un faible mouvement des dunes (peu de collisions), soit qu'il y a plus d'érosion en cours que ce qui est actuellement estimé.

En 2016, le rover Curiosity de la NASA a capturé des images rapprochées des dunes, confirmant les prédictions basées sur les caractéristiques de la planète concernant la taille du sable qui peut se développer sur la planète rouge. Le sable martien a à peu près la même taille que son homologue terrestre, mais une gravité plus faible permet au sable plus léger de voler, même dans les airs raréfiés, et de former des dunes.

Ce vol dépend de la vitesse du vent : les expériences en soufflerie suggèrent que le déplacement d'un grain de sable sur Mars nécessite une rafale 10 fois plus forte que nécessaire pour le même grain sur Terre. Mais une fois que le sable commence à bouger, il est plus facile de le maintenir, grâce à la gravité plus faible de la planète. "La grande inconnue pour Mars est le seuil dont vous avez besoin pour déclencher le mouvement du sable", explique Simone Silvestro, chercheuse à l'Institut national d'astrophysique (INAF) en Italie.

Pendant des décennies, les scientifiques ont soupçonné que les dunes qu'ils ont vues sur Mars étaient d'anciennes reliques d'un passé caractérisé par une atmosphère plus épaisse et des vents plus forts. Cela a changé en 2019, lorsque Silvestro et ses collègues ont utilisé Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA pour capturer des dunes rampant près de l'équateur martien. En comparant des images prises à plus de sept ans d'intervalle sur deux sites différents, l'équipe a déterminé que ces mégariples - qui sont les plus grandes des dunes à environ 3 pieds (1 mètre) de hauteur - bordent à environ 4 pouces (10 centimètres) par an .

Même aujourd'hui, les scientifiques ne sont pas certains de la force des vents de surface sur Mars. Ils ont cartographié les modèles de vent mondiaux en fonction de la topographie et de la formation du paysage, mais la majeure partie des mesures atmosphériques de la planète ont été effectuées par des orbiteurs, qui se limitent à observer la haute atmosphère. Pendant ce temps, les atterrisseurs et les rovers ne peuvent fournir des informations sur la vitesse du vent qu'au niveau du sol ; cela laisse une large étendue de ciel vide de mesures atmosphériques.

Idéalement, un rover ou un atterrisseur serait assis à un endroit et regarderait constamment le mouvement du sable, plutôt que dans des instantanés chronométrés, dit Diniega. Cela permettrait aux chercheurs de fonder leurs modèles sur la vérité. Étant donné que l'air venteux et rempli de poussière a le potentiel d'obstruer et d'endommager les explorateurs robotiques, il serait encore mieux, dit Silvestro, d'envoyer des gens sur la planète pour mesurer la vitesse du vent et le mouvement des dunes.

Souvent appelée la jumelle de la Terre, Vénus est peut-être la planète sur laquelle on s'attendrait le plus à avoir des dunes à la surface. Après tout, une atmosphère épaisse peut considérablement améliorer les chances de vents de sable, et l'atmosphère vénusienne est 90 fois plus dense que celle de notre planète. Mais bien que la haute atmosphère de Vénus file à toute allure, les vents de surface ne se déplacent qu'à quelques kilomètres à l'heure. Ainsi, les dunes semblent clairsemées sur Vénus.

Mais l'une des raisons de cette rareté peut être le manque de bonnes images. Bien que plusieurs missions aient été envoyées pour explorer Vénus, l'atmosphère épaisse de la planète rend encore plus difficile d'apercevoir la surface – ou d'y survivre. La plupart des photos sont des images radar capturées depuis la Terre et depuis des engins spatiaux en orbite, qui ne sont pas comparables à des instantanés visuels, comme ceux que les scientifiques ont de Mars. Au début des années 1990, la mission Magellan de la NASA a cartographié presque toute la planète avec un radar, révélant les premiers faibles indices de deux petits champs de dunes. Alors que les scientifiques ont émis l'hypothèse que des signaux radar suggèrent la présence de "microdunes" de plusieurs centimètres de long dans les régions méridionales de la planète, des preuves évidentes de ces caractéristiques restent cachées.

De plus, fabriquer du sable sur Vénus est un défi en soi. Cette même atmosphère épaisse amortit les processus volcaniques explosifs qui pourraient créer des cendres pour servir de sable. Et la planète manque d'eau liquide nécessaire pour tailler de petites particules de la surface rocheuse. On pense que la plupart du sable vénusien s'est formé lorsque des impacts ont frappé la surface et projeté des matériaux. Même si du sable se forme, les recherches montrent que les températures élevées pourraient faire fondre les particules en un conglomérat trop gros pour voler dans le peu de vent qu'il y a à la surface.

Le vaisseau spatial Magellan a cartographié environ 98% de la surface de Vénus à l'aide d'un radar. De petites caractéristiques semblables à des dunes, caractérisées par différentes propriétés réfléchissantes dans le terrain de surface, apparaissent dans au moins deux petits champs sur la planète, y compris cette partie d'Al-Uzza Undae.

Il est également possible que des traces d'anciennes dunes aient été effacées lors d'un événement de resurfaçage planétaire il y a environ 500 millions d'années. Les éruptions volcaniques ont craché de la lave sur la surface, effaçant les cratères et les dunes pour créer une ardoise propre à peine rayée sur des échelles de temps plus récentes.

Si Vénus cache des dunes, elles pourraient bientôt apparaître. En 2021, la NASA a annoncé deux nouvelles missions Vénus, VERITAS et DAVINCI, tandis que l'Agence spatiale européenne a révélé des plans pour une troisième, EnVision. Le trio devrait commencer à sonder la planète dans les années 2030.

Titan, le satellite de Saturne

Avec sa brume organique et ses lacs de méthane, Titan, la lune de Saturne, est le seul monde du système solaire, à part la Terre, connu pour contenir du liquide à sa surface. Mais alors que les chercheurs avaient prédit ses lacs de méthane et d'éthane dans les années 1980, les dunes de sable soufflées par le vent étaient considérées comme peu probables en raison des sédiments potentiellement collants du monde, qui sont constitués d'hydrocarbures goudronneux.

Ce fut donc une surprise en 2006 lorsque la mission Cassini de la NASA a révélé des dunes éoliennes réparties sur les latitudes moyennes de la lune. "Ils sont presque une caractéristique déterminante de Titan", déclare Ralph Lorenz, un expert des dunes au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory à Laurel, Maryland.

L'une des plus grandes surprises a été le fait que les dunes de Titan s'étendent à la surface dans la direction opposée au mouvement doux habituel de ses vents. Il s'avère que les vents de Titan inversent brièvement leur flux et se renforcent pendant les équinoxes. Ces vents saisonniers inverses sont plus susceptibles de créer des dunes que les brises plus légères soufflant le reste de l'année.

Alors que le sable sur Terre et Mars provient de matériaux usés avec le temps, le sable de Titan peut pleuvoir du ciel. Les tholins, amas de matière organique dont la composition précise reste un mystère, recouvrent la surface de Titan, constituant les nuages ​​et la brume de l'atmosphère lunaire. Le matériau peut s'agglutiner pour former des particules de la taille du sable lorsqu'il tombe du ciel, pour ensuite être soufflé dans les dunes. Mais comment de tels processus fonctionnent avec des matières organiques n'est pas bien compris.

"La question en suspens à ce stade est de savoir s'il existe une sorte de processus d'agrégation pour faire adhérer les particules de brume, créant ainsi des particules de la taille d'un sable", explique Sarah Horst, chercheuse sur Titan à l'Université Johns Hopkins de Baltimore.

Alternativement, les tholins pourraient former une couche sédimentaire qui est ensuite érodée par le liquide qui coule de Titan. Ou le sable pourrait plutôt être composé de matériaux laissés derrière une fois que le liquide s'est évaporé, comme l'anneau dans une baignoire.

L'environnement exotique de Titan rend difficile la détermination des détails de la formation des dunes. Selon Horst, qui expérimente sur les tholins dans son laboratoire, l'un des défis pour comprendre l'étrange substance est d'essayer de comprendre comment la matière organique se comporte à des températures sur Titan : -297 degrés Fahrenheit (-183 degrés Celsius). "Beaucoup de ces composés qui nous intéressent sont toxiques ou explosifs ou les deux", dit-elle. Bien qu'il existe de nombreux laboratoires capables de gérer les températures et les composés, y compris celui de Horst, les problèmes de sécurité soulèvent un autre problème. "C'est un plus grand défi d'obtenir des fonds pour faire les expériences", dit-elle.

Les dunes sur Titan (en haut), cartographiées par radar par Cassini, semblent avoir une structure similaire à celles formées dans le désert du Namib sur Terre (en bas). Les caractéristiques lumineuses de l'image du haut ne sont pas des nuages, mais plutôt un terrain qui apparaît plus clair dans l'imagerie radar.

La mission Dragonfly de la NASA, un giravion volant prévu pour explorer Titan en 2034, pourrait bientôt répondre à de nombreuses questions. Selon Horst, Dragonfly devrait fournir "des informations plus complexes sur les particules pour aider à découvrir comment elles sont fabriquées".

Parce que Dragonfly explorera à différentes altitudes plutôt que de rester coincé à la surface, la mission pourra prendre des lectures plus détaillées de l'atmosphère que celles disponibles pour d'autres mondes non terrestres. Cela devrait aider les scientifiques à comprendre comment les tholins sont soufflés à travers le paysage. Et tandis que les rovers ont tendance à éviter les dunes, où le sable mou peut les enliser, la capacité de Dragonfly à voler d'un endroit à un autre lui permettra d'étudier de nombreuses caractéristiques de surface, y compris, selon Lorenz, les dunes.

Les dunes glacées de Pluton

Lorsque la mission New Horizons de la NASA est passée devant Pluton en 2015, elle a révélé une planète naine étonnamment active, plutôt que le monde mort que de nombreux chercheurs s'attendaient à trouver au bord du système solaire. Les instantanés rapides capturés par le vaisseau spatial ont montré que la surface de Pluton a été sculptée par la glace relativement récemment, et les scientifiques ont identifié une grande variété de caractéristiques géologiques.

Radebaugh discutait sur Facebook avec son collègue scientifique planétaire Matt Tefler pendant que les premières images de Pluton étaient publiées. Alors qu'ils commençaient à étudier les instantanés, des structures ressemblant à des dunes dans l'élément en forme de cœur maintenant appelé Tombaugh Regio ont sauté sur la paire. Pour Radebaugh, elles ressemblaient aux dunes trouvées dans la Death Valley, en Californie. "Ça a cliqué tout de suite : 'Oh, ce sont des dunes'", dit-elle.

Ils ont contacté l'équipe de New Horizons, travaillant avec leur groupe géologique pour déterminer les reliefs. Après avoir examiné les images plus en détail que ce qui était disponible lors de la publication initiale, ils ont découvert que les caractéristiques présentaient plus qu'une similitude passagère de forme avec les dunes. Les dunes se sont également bien alignées avec les traînées de vent identifiées par d'autres chercheurs, ce qui suggère que les vents qui ont formé les traînées soufflaient dans la même direction que les vents qui ont créé les dunes.

Comme sur d'autres mondes, le plus grand défi pour les scientifiques est de comprendre comment Pluton génère la portance initiale qui fait rouler les dunes. L'atmosphère de Pluton est incroyablement mince - probablement trop mince pour capter des particules du sol. "Il est difficile de faire fonctionner les calculs car la densité atmosphérique est si faible que votre capacité à transporter des matériaux diminue", déclare Horst. Alors, comment les particules font-elles ce saut initial ?

Radebaugh et Tefler pensent que la réponse se trouve dans un champ de petites fosses près des dunes. Pluton est recouverte de glace composée non seulement d'eau, mais aussi de méthane, d'azote et de dioxyde de carbone. Au fur et à mesure que le méthane remonte à la surface, il passe d'un solide à un gaz, projetant des molécules de méthane dans l'air et laissant les petites fosses. Radebaugh et Teffler pensent que ces particules sont ensuite entraînées dans les dunes par les vents.

Seule une partie de la surface de Pluton a été imagée et de cela, seule une petite partie semble avoir des dunes. Tefler dit que cela peut être dû au paysage local. "Les modèles de circulation suggèrent que la zone que nous examinons devrait être l'endroit le plus venteux de Pluton", dit-il. "C'est un endroit qui, en raison des propriétés thermiques et de pression dérivées du terrain, est susceptible de favoriser le vent."

Mais tout le monde ne pense pas qu'il existe encore suffisamment de preuves pour déclarer que les caractéristiques sont des dunes. "C'est toujours un débat en cours dans la communauté géomorphologique planétaire", explique Philippe Claudin, également à l'INAF. Tefler et Radebaugh restent convaincus que ce qu'ils ont repéré sont des dunes, bien qu'il faudra très probablement une autre mission dans la lointaine Pluton pour confirmer la nature des caractéristiques.

Feu et glace

Un article récent publié le 19 avril dans Nature Communications a combiné des images vieilles de 14 ans de la mission Galileo de la NASA avec des modèles de la façon dont les grains se déplacent pour expliquer comment les dunes pourraient se former sur le monde le plus volcanique du système solaire : la lune Io de Jupiter. L'étude montre comment sur cette lune, les grains de roche ou de givre ne sont pas emportés par les vents, faibles dans la mince atmosphère. Au lieu de cela, lorsque la lave chaude se mélange au givre de dioxyde de soufre (SO2) sous terre, le SO2 se transforme en gaz qui s'échappe à travers la surface. Ce dégazage est "suffisamment dense et rapide pour déplacer des grains sur Io et éventuellement permettre la formation de caractéristiques à grande échelle comme des dunes", selon le premier auteur George McDonald de l'Université Rutgers dans un communiqué de presse.

Et en effet, Galileo a repéré des caractéristiques semblables à des dunes sur la lune. Les chercheurs ont examiné de près les dimensions des caractéristiques et l'espacement entre les crêtes, concluant que ces formations ressemblent à des dunes vues ailleurs dans le système solaire, y compris la Terre. "Nos études indiquent la possibilité d'Io en tant que nouveau" monde de dunes "", a déclaré McDonald. "Ce travail nous dit que les environnements dans lesquels se trouvent les dunes sont considérablement plus variés que les paysages désertiques classiques et sans fin sur certaines parties de la Terre." —Alison Klesman

Si les planétologues ont été surpris de trouver des dunes sur Pluton, où l'atmosphère est mince, ils ont été terrassés de les trouver sur la minuscule comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, où l'atmosphère est quasi inexistante.

Souvent comparé à un canard en caoutchouc, Churyumov-Gerasimenko a deux lobes reliés par un cou. Cette forme est très probablement le résultat de deux morceaux distincts de matériaux du système solaire primitif qui se rejoignent lentement. Lorsque le vaisseau spatial Rosetta de l'Agence spatiale européenne est entré en orbite autour de Churyumov-Gerasimenko en 2014, il a révélé des dunes sur le cou et les deux lobes, soulevant la question de savoir comment un objet avec peu ou pas d'atmosphère pourrait avoir des caractéristiques soufflées par le vent.

La réponse vient du cœur de la comète. Alors que la comète se rapproche du Soleil, la matière glacée de son noyau commence à se transformer en gaz, se frayant un chemin jusqu'à la surface. En cours de route, il transporte des morceaux de saleté, qui sont libérés au fur et à mesure que la glace se sublime et crée une enveloppe extrêmement fine autour du noyau, appelée coma. Les vents générés par le changement de température lors de la rotation de la comète sont suffisamment forts pour déplacer la saleté. La gravité est faible sur la minuscule comète, ce qui facilite le maintien en l'air de grosses particules. Ainsi, les matériaux provenant de l'intérieur du noyau sont finalement étalés sur le sol pour former des dunes "presque automatiquement", explique Claudin, l'un des auteurs de la recherche faisant état de ces dunes.

De telles dunes ne peuvent se former que lorsque la comète est proche du Soleil. Sur son orbite de 6,4 ans, Churyumov-Gerasimenko passe la plupart de son temps dans les régions les plus froides du système solaire, près de Jupiter, sa surface ne changeant pas. Claudin estime que la comète ne forme activement de nouvelles dunes que pendant environ deux semaines à chaque orbite.

Mais Churyumov-Gerasimenko n'a rien de particulièrement unique. "Je dirais que ce que nous voyons est plutôt générique", dit Claudin. Cela signifie que les milliers de comètes connues – et les milliards de comètes estimées – peuvent toutes créer leurs propres dunes lorsqu'elles s'approchent du Soleil. Les futurs engins spatiaux pourraient être mieux préparés pour sonder les dunes qui se forment ou gèlent à la surface.

Mais à l'image d'une atmosphère cométaire, certains jugent les preuves ténues. "Je n'ai jamais été convaincu", dit Horst. Elle déclare qu'un problème courant en science planétaire est l'association entre une caractéristique vue sur un autre monde et la contrepartie terrestre à laquelle elle ressemble. "Ce n'est pas parce que quelque chose ressemble à un processus que nous connaissons que c'est un processus que nous connaissons", dit-elle. Après tout, les humains aiment identifier et catégoriser ce que nous voyons, mais parfois ce que nous percevons comme une caractéristique particulière - disons, une dune - peut s'avérer n'être rien. Pensez à la pyramide et au visage qui ont été identifiés sur Mars - lorsqu'ils sont examinés de près ou sous un autre angle, ce ne sont que des rochers.

Néanmoins, dans un article de 2017 publié dans Aeolian Research expliquant comment notre compréhension de la formation des dunes a changé à mesure que les mondes du système solaire sont étudiés plus en profondeur, Diniega, Radebaugh, Silvestro, Tefler et d'autres soutiennent que la reconnaissance des dunes est la première étape pour les identifier. . En mettant en place une politique flexible d'identification des caractéristiques soufflées par le vent, les chercheurs espèrent rendre plus cohérentes des classifications autrefois vagues. Idéalement, l'identification des dunes sur des mondes tels que Vénus et Pluton suivrait un chemin similaire à celles de Mars. Une fois qu'une mission a observé des dunes suspectes, la prochaine génération d'engins spatiaux peut effectuer des observations plus détaillées pour étudier leurs caractéristiques et analyser les modèles de candidats individuels pour confirmer ou infirmer leur statut de dunes. Les missions ultérieures peuvent alors classer le paysage encore plus loin.

Et alors que les observations d'autres mondes (y compris les comètes) se poursuivent, les scientifiques espèrent avoir une meilleure idée de ce qui est possible ailleurs, leur permettant d'affiner leurs modèles de formation et de déplacement des dunes, sur Terre et au-delà.