Saturne (planète)

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Saturne Saturne : symbole astronomique
Image illustrative de l'article Saturne (planète)
Saturne vue par la sonde Cassini en 2008.
Caractéristiques orbitales
Demi-grand axe 1 429 394 069 km
(9,554909  UA)
Aphélie 1 503 983 449  km
(10,05350840  UA)
Périhélie 1 349 467 375  km
(9,02063224  UA)
Circonférence orbitale 8 922 986 267  km
(59,65  UA)
Excentricité 0,05415060
Période de révolution 10 757,7365  j
(29 a 165 d 11,68 h)
Période synodique 378,0944  j
Vitesse orbitale moyenne 9,6446  km/ s
Vitesse orbitale maximale 10,183  km/ s
Vitesse orbitale minimale 9,137  km/ s
Inclinaison sur l’ écliptique 2,48446 °
Nœud ascendant 113,7153281104 °
Argument du périhélie 338,71690 °
Satellites connus ~ 200 satellites observés, dont 62 ont leur orbite confirmée (parmi lesquels 53 ont été nommés) et environ 150  lunes mineures.
Anneaux connus 7 principaux, finement divisés.
Caractéristiques physiques
Rayon équatorial 60 268  km
(9,4492 Terres)
Rayon polaire 54 359  km
(8,5521 Terres)
Rayon moyen
volumétrique
58 232  km
(9,014 Terres)
Aplatissement 0,09796
Périmètre équatorial 378 675 km
Superficie 43,466×109  km2
(83,703 Terres)
Volume 827,13×1012  km3
(763 Terres)
Masse 568,46×1024  kg
(95,152 Terres)
Masse volumique globale 687,3  kg/m3
Gravité de surface 10,44  m/ s2
(1,064 g)
Vitesse de libération 35,5  km/ s
Période de rotation
( jour sidéral)
0,448  d
(10 h 44 min 32 s)
Vitesse de rotation
(à l’ équateur)
34 821  km/ h
Inclinaison de l’axe 26,73°
Ascension droite du pôle nord 40,60°
Déclinaison du pôle nord 83,54°
Albédo géométrique visuel 0,47
Albédo de Bond 0,342
Irradiance solaire 14,90  W/ m2
(0,011 Terre)
Température d’équilibre
du corps noir
81,1  K (-191,9  °C)
Température de surface
• Température à 10  k Pa 84  K (-189  °C)
• Température à 100  k Pa 134  K (-139  °C)
Caractéristiques de l’atmosphère
Masse volumique
à 100  k Pa
0,19  kg/m3
Hauteur d’échelle 59,5  km
Masse molaire moyenne 2,07  g/ mol
Hydrogène H2 > 93 %
Hélium He > 5 %
Méthane CH4 0,2 %
Vapeur d' eau H2O 0,1 %
Ammoniac NH3 0,01 %
Éthane C2H6 0,0005 %
Hydrure de phosphore PH3 0,0001 %
Histoire
Divinité babylonienne Ninurta (Ninib)
Divinité grecque Κρόνος
Nom chinois
(élément associé)
Tǔxīng 土星 (terre)

Saturne est la sixième planète du Système solaire par ordre de distance au Soleil et la deuxième après Jupiter tant par sa taille que par sa masse [1], [2], [3].

Plus lointaine des planètes du Système solaire observables à l' œil nu dans le ciel nocturne depuis la Terre [4], elle est connue depuis la Préhistoire [5] et correspond au Phaénon (Φαίνων (Phaínōn)) de l' astronomie grecque, au Zohal (زُحَل) de l' astronomie arabe ainsi qu'au Tǔxīng ( 土星 / « étoile de la terre ») de l' astronomie chinoise.

Elle est ainsi désignée [4], à la suite d'un usage antique [a], d'après Saturne, un dieu de la mythologie romaine, assimilé au titan Cronos de la mythologie grecque. Son symbole «   », d'origine ancienne [7] représenterait la faucille du dieu Saturne [8] ou serait dérivé de la lettre grecque kappa minuscule, initiale du grec ancien Κρόνος (Krónos) [9]. Néanmoins, l' Union astronomique internationale recommande de substituer au symbole «  » l' abréviation « S », correspondant à la lettre latine S majuscule, initiale de l' anglais Saturn [10].

Saturne est une planète géante, au même titre que Jupiter, Uranus et Neptune, et plus précisément une géante gazeuse [11], [12] de type Jupiter froid comme Jupiter [b]. D'un diamètre d'environ neuf fois et demi celui de la Terre, elle est majoritairement composée d' hydrogène et d' hélium. Sa masse vaut 95 fois celle de la Terre [13] et son volume 900 fois celui de notre planète [1]. Sa période de révolution est d'environ 29 ans. Elle était au périhélie le [14]. Elle sera à l' aphélie le puis au périgée le [15].

Saturne a un éclat bien plus faible que celui des autres planètes observables à l’œil nu. Sa magnitude apparente peut atteindre lors de l' opposition un maximum de 0,43 [16], tandis que son diamètre apparent varie de 14,5 à 20,5 secondes d'arc tandis que sa distance à la Terre varie de 1,66 à 1,20 milliards de kilomètres [16].

Saturne possède un système d'anneaux, composés principalement de particules de glace et de poussière. Saturne possède de nombreux satellites, dont cinquante-trois ont été confirmés et nommés. Titan est le plus grand satellite de Saturne et la deuxième plus grande lune du Système solaire après Ganymède autour de Jupiter. Titan est plus grand que la planète Mercure et est la seule lune du Système solaire à posséder une atmosphère significative.

La vitesse du vent sur Saturne peut atteindre 1 800  kilomètres par heure, une valeur supérieure à celles relevées sur Jupiter mais moindre que sur Neptune [17].

Caractéristiques physiques

Masse et dimensions

Saturne a la forme d'un sphéroïde oblate : la planète est aplatie aux pôles et renflée à l' équateur. Ses diamètres équatoriaux et polaires diffèrent de près de 10% (120 536 km pour le premier, 110 449 km pour le second, soit un diamètre moyen volumétrique de 116 464 km), conséquence de sa rapide rotation sur elle-même et d'une composition interne extrêmement fluide. Les autres géantes gazeuses du Système solaire ( Jupiter, Uranus et Neptune) sont également aplaties, mais de façon moins marquée.

Saturne est la deuxième planète la plus massive du Système solaire, 3,3 fois moins que Jupiter, mais 5,5 fois plus que Neptune et 6,5 fois plus qu' Uranus. En comparaison avec la Terre, Saturne est 95 fois plus massive. Son diamètre étant environ 9,5 fois plus grand que celui de la Terre, son volume est 900 fois supérieur.

Saturne est la seule planète du Système solaire dont la masse volumique moyenne est inférieure à celle de l' eau : 0,6873 g/cm3. Cela vient à dire que si on trouvait un océan assez grand pour contenir Saturne, celle-ci flotterait [18], [19]. Ce chiffre masque d'énormes disparités dans la répartition de la masse à l'intérieur de la planète : si son atmosphère, essentiellement composée d'hydrogène (le gaz le plus léger), est moins dense que l'eau, son noyau l'est considérablement plus.

Composition

La haute atmosphère de Saturne est constituée à 93,20 % d' hydrogène et à 6,7 % d' hélium en termes de molécules de gaz (96,5 % d' hydrogène et 3,5 % d'hélium en termes d'atomes). Des traces de méthane CH4, d' éthane C2H6, d' ammoniac NH3, d' acétylène C2H2 et de phosphine PH3 ont également été détectées [20]. Les nuages les plus en altitude sont composés de cristaux d'ammoniac, tandis que les nuages plus bas semblent être constitués soit d' hydrosulfure d'ammonium NH4SH soit d' eau H2O [21]. Par rapport à l'abondance des éléments du Soleil, l'atmosphère de Saturne est sensiblement plus pauvre en hélium.

La quantité d'éléments plus lourds que l'hélium n'est pas connue avec précision, mais on suppose que leurs proportions correspondent aux abondances initiales lors de la formation du Système solaire. La masse totale de ces éléments est estimée à 19 à 31 fois celle de la Terre, une fraction significative étant située dans la région du noyau de Saturne [22].

Structure interne

Diagramme de la structure de Saturne

La structure interne de Saturne serait similaire à celle de Jupiter, avec un noyau rocheux de silicates et de fer, entouré d'une couche d' hydrogène métallique, puis d'hydrogène liquide, puis enfin d'hydrogène gazeux. Des traces de glaces diverses seraient également présentes. Les transitions entre ces différentes couches seraient progressives et la planète ne comporterait pas de surface à proprement parler. La région du noyau posséderait entre 9 et 22 fois la masse de la Terre [23].

Saturne a une température interne très élevée, atteignant probablement 12 000 K dans le noyau, et dégage, à l'instar de Jupiter, plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. La majeure partie de cette énergie provient d'un effet de compression gravitationnelle ( mécanisme de Kelvin-Helmholtz), mais cet effet ne suffit pas à lui seul à expliquer la production thermique. Une explication proposée serait une « pluie » de gouttelettes d'hélium dans les profondeurs de Saturne, dégageant de la chaleur par friction en tombant dans une mer d'hydrogène plus léger [réf. nécessaire].

Atmosphère

Article détaillé : Atmosphère de Saturne.
Animation du système nuageux polaire hexagonal.

De manière similaire à Jupiter, l' atmosphère de Saturne est organisée en bandes parallèles, même si ces bandes sont moins visibles et plus larges près de l'équateur. En fait, le système nuageux de Saturne ne fut observé pour la première fois que lors des missions Voyager. Depuis, les télescopes terrestres ont fait suffisamment de progrès pour pouvoir suivre l'atmosphère saturnienne et les caractéristiques courantes chez Jupiter (comme les orages ovales à longue durée de vie) ont été retrouvées chez Saturne. En 1990, le télescope spatial Hubble a observé un énorme nuage blanc près de l'équateur de Saturne qui n'était pas présent lors du passage des sondes Voyager. En 1994, un autre orage de taille plus modeste a été observé.

Un énorme orage photographié par la sonde Cassini en été 2011

Le nuage de 1990 est un exemple de grande tache blanche, un phénomène saturnien éphémère qui se reproduit environ tous les 30 ans (c'est-à-dire environ chaque année saturnienne). Des grandes taches blanches ont été observées en 1876, 1903, 1933 et 1960. Si la périodicité se maintient, une autre tempête devrait se produire vers 2020 [24].

Dans les images transmises par la sonde Cassini, l'atmosphère de l'hémisphère nord apparaît bleue, de façon similaire à celle d' Uranus. Cette couleur est probablement causée par diffusion Rayleigh.

L'imagerie infrarouge a montré que Saturne possède un vortex polaire chaud, le seul phénomène de ce type connu dans le Système solaire.

Un système ondulatoire hexagonal existe autour du pôle nord, vers 78° de latitude. Il a été remarqué pour la première fois lors du passage des sondes Voyager [25], [26]. Les bords de l'hexagone mesurent environ 13 800 km. La structure tourne sur elle-même avec une période de 10 h 39 min 24 s. Le système ne se décale pas en longitude comme les autres structures nuageuses de l'atmosphère visible. Son origine n'est pas connue. La plupart des astronomes semblent penser qu'il s'agit d'un ensemble d' ondes stationnaires. Parmi les autres théories, il pourrait s'agir d'un type inconnu d' aurore polaire [27]. Des formes polygonales ont été reproduites en laboratoire à l'intérieur de seaux de fluides en rotation [28].

Les images prises par le télescope spatial Hubble indiquent la présence au pôle sud d'un courant-jet, mais pas d'un vortex polaire ou d'un système hexagonal analogue [29]. Cependant, la NASA a signalé en novembre 2006 que Cassini a observé une tempête analogue à un ouragan, stationnant au pôle sud, et qui possède un œil clairement défini [30]. Il s'agit du seul œil jamais observé sur une autre planète que la Terre [31].

De 2004 à 2009, la sonde Cassini a également pu observer la formation, le développement et la fin de 9 violents orages. Les orages de Saturne sont particulièrement longs. Un orage s'étala de novembre 2007 à juillet 2008. De même, un très violent orage débuta en janvier 2009 et dura plus de 8 mois. Ce sont les plus longs orages observés jusque-là dans le Système solaire. Ils peuvent s'étendre sur plus de 3 000 km de diamètre autour de la région appelée « Allée des tempêtes » située à 35° au Sud de l'équateur. Les décharges électriques provoquées par les orages de Saturne émettent des ondes radio dix mille fois plus fortes que celles des orages terrestres.

Magnétosphère

Le champ magnétique de Saturne est plus faible que celui de Jupiter (mais néanmoins plus intense que celui de la Terre) et sa magnétosphère est plus petite [32].

Rotation

L'atmosphère de Saturne subissant une rotation différentielle, plusieurs systèmes ont été définis, avec des périodes de rotation propres (un cas similaire à celui de Jupiter) :

  • Le premier système a une période de 10 h 14 min 00 s et concerne la zone équatoriale, qui s'étend entre le bord nord de la ceinture équatoriale méridionale et le bord sud de la ceinture équatoriale boréale.
  • Le deuxième système concerne toutes les autres latitudes et possède une période de 10 h 39 min 24 s.
  • Le troisième système, basé sur la rotation des émissions radio de Saturne, possède une période de 10 h 39 min 22,3 s.

Ce dernier système, mesuré lors du passage des sondes Voyager, était celui généralement utilisé pour parler de la rotation de la planète. Cependant, lors de son approche de Saturne en 2004, la sonde Cassini mesura que la période de rotation radio s'était légèrement accrue, atteignant 10 h 45 min 45 s (± 36 s) [33]. La cause exacte du changement n'est pas connue.

En mars 2007, il a été annoncé que la rotation des émissions radio ne rend pas compte de la rotation de la planète, mais est causée par des mouvements de convection du disque de plasma entourant Saturne, lesquels sont indépendants de la rotation. Les variations de période pourraient être causées par les geysers de la lune Encelade. La vapeur d'eau émise en orbite saturnienne se chargerait électriquement et pèserait sur le champ magnétique de la planète, ralentissant sa rotation par rapport à celle de Saturne. Si ce point est vérifié, on ne connaît aucune méthode fiable pour déterminer la période de rotation réelle du noyau de Saturne [34], [35], [36], [37].

Température

Étant donnée sa distance au Soleil, Saturne est une planète très froide en surface : sa température maximale est de 134 K (-139 °C), sa température moyenne atteint 93 K (-180 °C) et sa température minimale est de l'ordre de 72 K (-201 °C). [réf. nécessaire]

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