mardi 15 avril 2014

Vénus, un enfer sulfurique

Vénus est la deuxième planète du système solaire en partant de notre étoile. Elle est à peine plus petite que la Terre. Suite à cette dimension semblable, elle est souvent désignée comme la sœur jumelle de la Terre. Mais ce jumelage n'est qu'apparent tant elles se différencient par les différents phénomènes et comportements physiques dont elles sont le siège.

Vénus est une planète à rotation très lente puisqu'elle effectue une rotation autour de son axe en 243 jours terrestres. De plus, cette rotation est rétrograde: sur Vénus, le soleil se lève à l'ouest et se couche à l'est. Elle est l'un des rares astres du système solaire à se comporter de la sorte. Ceci étant, en tenant compte de la révolution de la planète autour du Soleil, Vénus présente la même région à ce dernier tous les 116 jours terrestres. Dès lors, le laps de temps entre le lever et le coucher de soleil sur Vénus dure 58 jours terrestres.

Surface of Venus
Planisphère de la surface de Vénus obtenu au radar par la sonde Magellan.

Une atmosphère empoisonnée, épaisse, écrasante et torride

L'air vénusien est tout bonnement irrespirable, composé à 96,5% de gaz carbonique et 3,5% d'azote. On y trouve également, en très faibles proportions, du dioxyde de soufre, de l'argon, de la vapeur d'eau, du monoxyde de carbone, de l'hélium, du néon, du chlorure d'hydrogène et du fluorure d'hydrogène. Un véritable cocktail mortel.

L'épaisseur de l'atmosphère est estimée à 300 km. Cette hauteur comprime l'air au niveau du sol, y atteignant des pressions effroyables: une moyenne de 92000 hPa là où la pression moyenne sur Terre est de 1015 hPa. L'importante quantité de CO2 engendre un énorme effet de serre, portant la température de la surface à une moyenne de 462°C, suffisante pour faire fondre le plomb. Ceci en fait la planète la plus torride du système solaire, davantage que Mercure, cette dernière étant pourtant deux fois plus proche du Soleil que Vénus. A de telles conditions de pressions et de températures, le gaz carbonique des basses couches de l'atmosphère ne se comporte plus comme un gaz, mais comme un fluide supercritique, sorte d'intermédiaire entre l'état gazeux et l'état liquide.

Le diagramme ci-dessous présente la structuration de l'atmosphère et les températures qui y sont rencontrées.


Une première couche nommée troposphère est située entre le sol et une altitude d'environ 68 km au sein de laquelle la température décroit avec l'altitude:
  • La première petite cinquantaine de kilomètres est relativement claire, avec toutefois une brume d'acide sulfurique située dans la partie supérieure. Du sol, cette brume apparaît jaune.
  • Entre 48 et 51 km sied une couche nuageuse faite de grosses particules d'acide sulfurique, aussi bien à l'état liquide qu'à l'état solide. A cette altitude, il fait environ 30 à 40°C, et la pression est conforme à celle de surface sur Terre (environ 1000 hPa).
  • Entre 51 et 52 km se trouve une petite couche d'air clair.
  • Entre 52 et 58 km se trouve une nouvelle couche nuageuse dense faite de particules d'acide sulfurique, d'acide chlorhydrique et de soufre, aussi bien à l'état liquide qu'à l'état solide.
  • Entre 58 et 68 km sied une couche de cristaux de glace qui donne l'apparence blanchâtre de Vénus lorsque celle-ci est observée depuis l'espace.
File:Venus-real color.jpg
Vénus en vraies couleurs telle que vue par la sonde Mariner 10 dans les années septante.

Compte tenu de l'ensemble des couches nuageuses rencontrées, une grande partie de la lumière solaire est réfléchie dans l'espace ou absorbée par les nuages. Ainsi, le soleil apparaît à peine au niveau du sol, conférant une ambiance plutôt sombre et sinistre au paysage vénusien.

Au-dessus se trouve la mésosphère puis la thermosphère. La partie basse de la mésosphère, en-dessous de 90 km, est constituée d'une très légère brume d'acide sulfurique. 

Une circulation atmosphérique compliquée en deux couches

Le schéma ci-dessous synthétise les circulations atmosphériques vénusiennes. Selon l'altitude, elles peuvent être séparées en deux composantes.

File:Circulation atm Venus.svg


  • La circulation d'altitude est la plus simple à comprendre. La lente rotation de la planète est responsable d'importantes différences de températures entre l'hémisphère du jour et l'hémisphère de la nuit. Ces différences de températures n'existent qu'en haute altitude. Plus bas, l'épaisse atmosphère permet une répartition de la chaleur, créant des températures pratiquement uniformes entre le jour et la nuit. Mais en altitude, l'échauffement de l'air côté Soleil le rend plus léger, le forçant à s'élever. Côté nuit, le refroidissement de l'air le rend plus lourd, le forçant à descendre. L'air circule de manière analogue à un tapis roulant entre ces deux pôles. Les observations par les différentes missions ont mis en évidence à 100 km d'altitude des températures de +29°C sur le côté éclairé par le soleil et de -143°C sur le côté plongé dans l'obscurité.
  • La circulation des basses couches est plus complexe. L'air s'élève au niveau de l'équateur là où le réchauffement solaire est maximal. Cet air afflue en hauteur vers les pôles où le faible rayonnement solaire entraîne son refroidissement. Il devient plus dense et retombe donc vers le sol où il reprend la direction de l'équateur. Ces deux circulations, une pour l'hémisphère nord, l'autre pour l'hémisphère sud, sont appelées Cellules de Hadley. Cependant, ces cellules sont arrêtées dans leur extension vers les latitudes polaires en raison de la présence de deux paires de vortex polaires. Les deux vortex sont en rotation (durée: 3 jours terrestres) autour de chaque pôle et dessinent une forme en S. Au sein de ces structures, les vents peuvent atteindre 180 km/h. Ces vortex sont séparés des Cellules de Hadley par des cols polaires, localisés entre 60 et 70° de latitude nord et sud.
En plus de ces mouvements latitudinaux, les couches de nuages ont un mouvement de rotation propre par rapport à la planète et inverse à celle-ci. Ce mouvement est appelé "super-rotation" et est responsable de vents extrêmement puissants en altitude, avec des vitesses de 540 km/h vers 65 km. Ce mouvement décroît de part et d'autre de cette altitude, avec des limites situées à 10 km et 95 km. Au sol, les vents sont généralement très faibles, inférieurs à 7 km/h en général. Cette vitesse est cependant suffisante pour conférer au fluide supercritique qui caractérise les basses couches atmosphériques d'importantes propriétés érosives.

Des virgae et de probables orages

Vénus, ou plus précisément les hautes altitudes de son atmosphère, voit se produire de fréquentes pluies d'acide sulfurique lorsque la concentration de celui-ci dans l'air devient telle qu'il se condense en gouttes. Le terme de "pluie" n'est cependant pas entièrement correct: suite aux fortes températures qui règnent près de la surface, la pluie finit par s'évaporer en tombant vers le bas (à 300°C). Cette pluie d'acide n'atteint donc jamais la surface. Ce phénomène porte le nom de "virga" et existe aussi sur Terre, mettant en jeu de l'eau et à des températures beaucoup plus supportables!

Cet acide sulfurique est produit dans la haute atmosphère par la dissociation des molécules de CO2 par les radiations ultraviolettes du Soleil. Il en ressort du monoxyde de carbone et un atome d'oxygène. Ce dernier, très réactif, se combine avec du dioxyde de soufre pour former du trioxyde de soufre, qui se combine à son tour avec le peu de vapeur d'eau présent en altitude pour former l'acide. Plus bas, lors de l'évaporation, l'acide se dissocie en eau et en dioxyde de soufre, ces gaz menant à nouveau à la formation d'acide plus en altitude.

A plusieurs reprises, les sondes envoyées observer Vénus ont relevé des pulsations électromagnétiques en provenance de la planète. Beaucoup de scientifiques pensent qu'elles sont engendrées par des éclairs qui éclatent dans l'épaisse couche nuageuse de la planète. Une observation en visuel permettrait de confirmer cela.

Cette image colorisée est basée sur les images en noir et blanc prises par l'une des sondes soviétiques Venera au début des années septante et donne une idée approximative mais non-exacte de ce à quoi pourrait ressembler Vénus vue du sol.

Et de la neige... de métaux!

En 1995, les données issues de la mission Magellan mettent en évidence d'étranges reflets sur les montages de Vénus, les plus hautes culminant à plus de 10 km d'altitude (Mont Maxwell notamment, à 10 700 mètres). Les scientifiques attribuent ces reflets à... de la neige. Les températures encore très élevées à cette altitude compromettent l'existence de neige semblable à celle de la Terre. L'hypothèse est que cette neige est faite de composés de métaux comme des sulfure et/ou des sulfates de plomb et de bismuth. La couche n'excéderait cependant pas les quelques millimètres d'épaisseur.

La vie est-elle possible?

Bien qu'il existe sur Terre des organismes microscopiques capables de survivre dans des conditions de températures très élevées, il semble difficile d'imaginer que de tels organismes semblables se promènent à la surface de Vénus. Cependant, la vie serait possible plus haut en altitude, dans le voisinage de la couche nuageuse. Des concentrations significatives d'oxysulfure de carbone ont été détectées à ce niveau. Le fait que ce composé soit très difficilement synthétisable par d'autres voies que celle de l'organique pourrait indiquer une possible vie microbienne dans les strates nuageuses de Vénus.

Source des informations: Futura Sciences, Wikipedia.


2 commentaires:

  1. MISSION SPATIALE SUR VENUS - CALCUL DE L'ACCELERATION DU VAISSEAU SPATIAL
    La NASA projette d’installer des ballons dirigeables sur Vénus, dans un futur à moyen terme, il faudra construire un Vaisseau Spatial pour transporter les hommes et les ballons.
    Considérons que le trajet supposé rectiligne entre la Terre et Vénus se décompose en 2 demi trajets de 21.250.000 km. Durant le premier le Vaisseau Spatial sera en Accélération Constante et durant le second en Décélération Constante.
    GAMMA(A) est l’Accélération du Vaisseau Spatial
    GAMMA(D) est la Décélération du Vaisseau Spatial
    D = 21.250.000.000 m
    Calcul de l’Accélération GAMMA(A) :
    GAMMA(A) = (Delta V)/(Delta T) c’est l’Accélération du Vaisseau Spatial
    Delta V = V(1) – V(0) avec V(0) = 30 km/s la vitesse initiale et V(1) = 500 000 km/h soit 5 fois la Vitesse Initiale V(0).
    V(1) – V(0) = (500.000.000 – 108.000.000)/3600 m/s soit 108888 m/s
    Delta T = T(1) – T(0) avec T(0) = 0 donc T(1) = 3 X 31 X 24 X 3600 secondes, on prend comme hypothèse : les 42.500.000 km sont parcourus en 6 mois.
    GAMMA(A) = 108888/(3 X 31 X 24 X 3600) = 0,0136 m/s² ce qui est trop faible, remplaçons les 3 mois par 1 mois et on obtient :
    GAMMA(A) = 108888/(1 X 31 X 24 X 3600) = 0,0407 m/s² pour rappel G l’accélération de la pesanteur terrestre = 9,81 m/s²
    Si on remplace les 1 mois par 15 jours alors GAMMA(A) = 0.0813m/s², soit 1/120ème de l’Accélération de la Pesanteur Terrestre..
    En phase Décélération GAMMA(D) = - GAMMA(A)
    Calcul du trajet le plus économique du point de vue du carburant, ça sera indéniablement le plus long du point de vue du temps (T) : Si V(1) = V(0) = 30 km/s = Constante tout le long du trajet, dans ce cas précis le consommation du carburant sera nulle en dehors du carburant nécessaire pour assurer la poussée des réacteurs pour échapper à l’Attraction Terrestre et pour assurer la poussée des rétrofusées pour décélérer le Vaisseau Spatial pour qu’il soit en orbite géostationnaire autour de Vénus à une distance à calculer par les Scientifiques et les Ingénieurs responsables du Projet.
    Pourquoi la Vitesse Initiale V(0) est égale à 30 km/s ? (Vitesse Orbitale)
    V(0) est engendrée par la rotation de la Terre autour du Soleil, cad V(0) est la Vitesse Tangentielle du Centre de Gravité de la Terre par rapport au Centre d’Inertie du Soleil. Pour effectuer les calculs avec un maximum de précision, ceux-ci seront fait dans un REPERE HELIOCENTRIQUE ayant pour point d’origine le Centre d’Inertie ou de Gravité du Soleil et ses 3 axes orthogonaux dirigés vers 3 étoiles fixes de l’Univers (étoiles situées dans des galaxies très éloignées de la VOIE LACTEE).
    Ce sont l'Accélération et la Décélération du Vaisseau Spatial qui génèrent la consommation en carburant, des Réacteurs Nucléaires à Fusion seront nécessaires pour équiper le Vaisseau Spatial et assurer la liaison Terre - Vénus en un minimum de temps Delta(T).
    Selon l'Accélération du Vaisseau Spatial choisie (0 ou 0.0136 ou 0.0407 ou 0.0813 m/s²), la Trajectoire sera différente et la distance parcourue entre la Terre et Mars sera différente de 42.500.000 km, il y aura lieu de recalculer le temps T(C) (temps corrigé) par rapport à l'Accélération retenue , Ainsi Delta(T) sera égale à T(C)..



    Alain Mocchetti
    Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
    Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
    UFR Sciences de Metz
    alainmocchetti@sfr.fr
    alainmocchetti@gmail.com
    @AlainMocchetti

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  2. MISSION SPATIALE SUR VENUS - CALCUL DE LA POUSSEE DES REACTEURS
    1. Si les Réacteurs sont du type conventionnel et fonctionnent avec du carburant classique, qui est utilisé entre autre pour les fusées Ariane 5 et Ariane 6 à partir de 2020 pour cette dernière, les Réacteurs possèderont une Tuyère de Laval dont le profil sera calculé grâce aux 2 Principes de la Thermodynamique, le mélange Air Carburant sera assimilé à un Gaz Parfait Compressible, donc nous pouvons écrire les équations suivantes :
    - Pv = rT (1) avec P la pression du mélange qui est variable selon le point où nous nous plaçons le long de l’axe de la tuyère, v le volume massique du mélange air carburant, r la Constante Massique du Gaz Parfait utilisé pour la combustion du mélange, et T la Température du mélange exprimée en degrés Kelvin, soient T(K) et T(C), cette dernière étant exprimée en degrés Celcius, nous pouvons écrire la seconde équation ;
    - T(C) = T(K) - 273 (2)
    Premier Principe de la Thermodynamique :
    - dE + dK = &We + &Qe (3)
    E : Energie Interne
    K : Energie Cinétique
    &We : Travail échangé avec le Milieu Extérieur
    &Qe : Quantité de Chaleur échangée avec le Milieu Extérieur
    Deuxième Principe de la Thermodynamique :
    - &Qe + &We = TdS (4)
    S est l’Entropie du volume considéré de gaz (mélange) brûlé
    Autre hypothèse : l’évolution des gaz dans la tuyère est assimilée à une ISENTROPIQUE REVERSIBLE (pas de frottement et pas d’échange de chaleur dans la tuyère avec le milieu extérieur car la vitesse des gaz dans la tuyère est élevée).
    Calcul de la poussée du Réacteur Conventionnel :
    - P = QM X V avec QM = pSV (5)
    P est la poussée d’un Réacteur en Newtons,
    QM est le Débit Massique du mélange brulé à la sortie de la tuyère,
    V est la Vitesse du mélange brulé à la sortie de la Tuyère du Réacteur. La poussée du Réacteur sera maximale quand les gaz atteindront mach 1 au Col de la Tuyère,
    - P = pSV^2 (6) donc plus V est grande plus P est importante.
    Théorème de la Résultante Dynamique :
    - M(T) GAMMA(A) = P (7) avec GAMMA(A) l’Accélération Absolue du Vaisseau Spatial calculée dans un REPERE HELIOCENTRIQUE qui est un REPERE GALILEEN,
    - M(T) = M(VS) + M(C) + M(P) (8)
    M(T) : masse totale du Vaisseau Spatial carburant, personnels et voyageurs compris,
    M(VS) : masse du Vaisseau Spatial vide, cad sans carburant et sans personnel ni voyageur,
    M(P) : masse du personnel et des voyageurs,
    M(C) : masse du carburant dans la soute,
    Remarque : M(C) est variable par rapport au temps, à accélération constante le débit de carburant sera variable, car M(C) diminue avec le nombre kilomètres parcourus et a donc un impact direct sur la Poussée du Réacteur P, il faut asservir la Poussée P et la Vitesse V pour maintenir GAMMA(A) constante.
    La Trajectoire Rectiligne de la Terre jusqu’à Vénus est la Trajectoire Absolue du Vaisseau Spatial, La Trajectoire Relative ne nous intéresse pas.
    Le Vaisseau Spatial sera équipé de 4 Réacteurs de taille acceptable assurant chacun comme poussée P/4, un seul Réacteur aurait une trop grande taille.
    2. Si les Réacteurs sont du type à Fusion Nucléaire, alors les soutes à carburant permettront d’assurer le voyage aller et le voyage retour. Le principe de fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire diffère complètement de celui des Réacteurs du type conventionnel, je rédigerai un pavé de texte spécial pour expliquer le Fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire.

    Alain Mocchetti
    Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
    Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
    UFR Sciences de Metz
    alainmocchetti@sfr.fr
    alainmocchetti@gmail.com
    @AlainMocchetti




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