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La Terre est à ce jour la seule planète connue pour abriter en abondance de l’eau à l’état liquide et de la vie. C’est également la planète la plus connue de l’homme. Depuis des siècles elle est étudiée dans ses coins les plus reculés.

Taille : 12742 km de diamètre
Masse : 5,972E24 kg (5,97200 × 10^21 tonnes)
Distance au Soleil : 150 millions de km
Distance à la Lune : 384 400 km
Caractéristique : seule planète connue abritant la vie
Âge : 4,54 milliards d’années
Population humaine : 7 milliards

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Terre

La Bille bleue, Apollo 17

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

149 597 887,5 km
(1,000 000 112 4 au)

Aphélie

152 097 701 km
(1,016 710 333 5 au)

Périhélie

147 098 074 km
(0,983 289 891 2 au)

Circonférence orbitale

939 885 629,3 km
(6,282 747 374 au)

Période de révolution

365,256 363 d

Vitesse orbitale maximale

30,287 km/s

Vitesse orbitale minimale

29,291 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

(par définition) 0 °

Argument du périhélie

288,064 °

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

6 378,137 km

Rayon polaire

6 356,752 km

Rayon moyen
volumétrique

6 371,008 km

Aplatissement

0,003 353 ≈ ¹⁄ ¹⁄(298,25±1) ) ₃₀₀ (

Superficie

510 067 420 km²

Volume

1,083 21 × 10 ¹² km³

Masse

5,973 6 × 10 ²⁴ kg

Masse volumique globale

5,515 × 10 ³ kg/m³

Gravité de surface

9,806 65 m/s²
(1 g)

Période de rotation
(jour sidéral)

0,997 269 49 23 d
( h 56 min 4,084 s)

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

1 674,364 km/h

Irradiance solaire

1 367,6 W/m²
(1 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

254,3 K (−18,7 °C)

* Maximum

56,7 °C

* Moyenne

15 °C

* Minimum

−93,2 °C
(voir Records de température sur Terre)

Caractéristiques de l'atmosphère

Pression atmosphérique

101 325 Pa

Masse volumique au sol

1,217 kg/m³

Masse totale

5,148 × 10 ¹⁸ kg

Hauteur d'échelle

8,5 km

Masse molaire moyenne

28,97 g/ mol

Histoire

Découverte par

* Nature planétaire pressentie par
l' école pythagoricienne ( Philolaos de Crotone).
* Attestée à
l' époque hellénistique ( Aristarque de Samos, puis Ératosthène).

Découverte le

* V e siècle av. J.-C.
* III e siècle av. J.-C.

La Terre est la troisième planète par ordre d'éloignement au Soleil et la cinquième plus grande du Système solaire aussi bien par la masse que par le diamètre. Par ailleurs, elle est le seul objet céleste connu pour abriter la vie. Elle orbite autour du Soleil en 365,256 jours solaires - une année sidérale - et réalise une rotation sur elle-même relativement au Soleil en un jour sidéral (environ ), soit un peu moins que son jour solaire de du fait de ce déplacement autour du Soleil. L' axe de rotation de la Terre possède une inclinaison de 23°, ce qui cause l'apparition des saisons.

D'après la 4,54 datation radiométrique, la Terre s'est formée il y a milliards d'années. Elle possède un unique satellite naturel, la Lune, qui s'est formée peu après. L' interaction gravitationnelle avec son satellite crée les marées, stabilise son axe de rotation et réduit graduellement sa vitesse de rotation. La vie serait apparue dans les océans il y a au moins 3,5 milliards d'années, ce qui a affecté l' atmosphère et la surface terrestres par la prolifération d' organismes d'abord anaérobies puis, à la suite de l' explosion cambrienne, aérobies. Une combinaison de facteurs tels que la distance de la Terre au Soleil (environ 150 millions de kilomètres - une unité astronomique), son atmosphère, sa couche d'ozone, son champ magnétique et son évolution géologique ont permis à la vie d' évoluer et de se développer. Durant l' histoire évolutive du vivant, la biodiversité a connu de longues périodes d'expansion occasionnellement ponctuées par des extinctions massives ; environ 99 % des espèces qui ont un jour vécu sur Terre sont maintenant éteintes. En 2023, plus de 8 milliards d' êtres humains vivent sur Terre et dépendent de sa biosphère et de ses ressources naturelles pour leur survie.

La Terre est la planète la plus dense du Système solaire ainsi que la plus grande et massive des quatre planètes telluriques. Son enveloppe rigide - appelée la lithosphère - est divisée en différentes plaques tectoniques qui migrent de quelques centimètres par an. Environ 71 % de la surface de la planète est couverte d' eau - notamment des océans, mais aussi des lacs et rivières, constituant l' hydrosphère - et les 29 % restants sont des continents et des îles. La majeure partie des régions polaires est couverte de glace, notamment avec l' inlandsis de l'Antarctique et la banquise de l' océan Arctique. La structure interne de la Terre est géologiquement active, le noyau interne solide et le noyau externe liquide (composés tous deux essentiellement de fer) permettant notamment de générer le champ magnétique terrestre par effet dynamo et la convection du manteau terrestre (composé de roches silicatées) étant la cause de la tectonique des plaques.

Chronologie

L' âge de la Terre est aujourd'hui estimé à 4,54 milliards d'années. L'histoire de la Terre est divisée en quatre grands intervalles de temps, dits éons, dont la frise est donnée ci-dessous (en millions d'années) :

L'4,54 Hadéen débute il y a milliards d'années (Ga), lorsque la Terre se forme en même temps que les autres planètes à partir d'une nébuleuse solaire - une masse de poussières et de gaz en forme de disque, détachée du Soleil en formation,,.

La formation de la Terre par accrétion se termine en moins de 20 millions d'années. Initialement en fusion, la couche externe de la Terre se refroidit pour former une croûte solide lorsque l'eau commence à s'accumuler dans l'atmosphère, aboutissant aux premières pluies et aux premiers océans. La Lune se forme peu de temps après, il y a 4,53 milliards d'années. Le consensus concernant la formation de la Lune est l' hypothèse de l'impact géant, selon laquelle un impacteur communément appelé Théia, de la taille de Mars et de masse environ égale au dixième de la masse terrestre, serait entré en collision avec la Terre,. Dans ce modèle, une partie de cet objet se serait agglomérée avec la Terre tandis qu'une autre partie, mêlée avec environ 10 % de la masse totale de la Terre, aurait été éjectée dans l' espace puis se serait agglomérée pour former la Lune.

L'activité volcanique qui suit l'impact, associée aux très importantes températures (jusqu'à 10 000 °C), produit une atmosphère primitive par dégazage,,. De la vapeur d'eau condensée ayant plusieurs origines possibles, mêlée à de la glace apportée par des comètes, produit les océans lorsque les températures baissent,,. Les gaz à effet de serre de cette atmosphère permettent de maintenir une température compatible avec la présence d' eau liquide à la surface de la Terre et empêchent les océans de geler alors que la planète ne recevait qu'environ 70 % de la luminosité solaire actuelle,.

Deux principaux modèles sont proposés pour expliquer la vitesse de croissance continentale : une croissance constante jusqu'à nos jours et une croissance rapide au début de l'histoire de la Terre. Le consensus est que la deuxième hypothèse est la plus probable avec une formation rapide de la croûte continentale suivie par de faibles variations de la surface globale des continents,,. Sur une échelle de temps de plusieurs centaines de millions d'années, les continents ou supercontinents se forment ainsi puis se divisent.

Avec l' Archéen et le Protérozoïque (les deux éons suivants), ils forment un superéon nommé le Précambrien.

Stromatolites fossilisés produits par des colonies de bactéries et âgés de 3,48 Ga (Craton de Pilbara, Australie).

L' Archéen débute il y a environ 4 milliards d'années (Ga) et est l'éon marqué par les premières traces de vie. En effet, il est supposé qu'une activité chimique intense dans un milieu hautement énergétique a alors permis de produire une molécule capable de se reproduire. La vie elle-même serait apparue entre 200 et 500 millions d'années plus tard, avant environ −3,5 Ga, point de départ de l'évolution de la biosphère,. Par ailleurs, la date d'apparition du dernier ancêtre commun universel est estimée entre −3,5 et −3,8 Ga.

Parmi les premiers signes de vie, on trouve notamment des biomolécules dans du granite âgé de 3,7 Ga au Groenland, ou des traces de carbone potentiellement biogène dans un zircon âgé de 4,1 Ga en Australie. Cependant, la plus ancienne preuve fossilisée de micro-organismes date d'il y a 3,5 Ga et a également été trouvée en Australie,,.

Par ailleurs, vers -3,5 milliards d'années, le champ magnétique terrestre se forme et permet d'éviter à l'atmosphère d'être emportée par le vent solaire,.

Protérozoïque

Arbre phylogénétique montrant les trois domaines du vivant : bactéries, archées et eucaryotes (Woese, 1990).

Le Protérozoïque débute il y a 2,5 Ga et marque l'apparition de la photosynthèse chez les cyanobactéries, produisant de l'oxygène libre O ₂ et formant des stromatolithes. Cela conduit à un bouleversement écologique majeur vers −2,4 Ga, appelé la Grande Oxydation, en formant la couche d'ozone et en faisant graduellement évoluer l'atmosphère alors riche en méthane en celle actuelle, composée essentiellement de diazote et de dioxygène,. C'est toujours la photosynthèse qui permet de maintenir le taux d'oxygène dans l' atmosphère terrestre et qui est à l'origine de la matière organique - essentielle à la vie sur Terre.

Du fait de l'augmentation de la concentration en oxygène dans l'atmosphère, des organismes multicellulaires appelés eucaryotes (bien que certains d'entre eux sont unicellulaires), plus complexes, voient le jour par un mécanisme supposé être l' endosymbiose,,. Les plus anciens retrouvés datent de −2,1 Ga et ont été appelés Gabonionta, car découverts au Gabon,. Les eucaryotes forment par la suite des colonies et, protégés des rayons ultraviolets par la couche d'ozone, ces formes de vie pourraient avoir dès lors colonisé la surface de la Terre.

De -750 à -580 millions d'années, pendant le Néoprotérozoïque, la Terre aurait connu une ou plusieurs séries de glaciations globales qui auraient couvert la planète d'une couche de glace. Cette hypothèse est nommée (" Terre boule de neige "), et est d'un intérêt particulier parce qu'elle précède directement l' explosion cambrienne et pourrait avoir déclenché l' évolution de la vie multicellulaire,.

Par ailleurs, le plus vieux des supercontinents connus, Rodinia, commence à se disloquer il y a environ 750 millions d'années. Les continents entre lesquels il s'est divisé se recombinent plus tard pour former Pannotia, il y a 650 à 540 millions d'années,.

Phanérozoïque

Le Phanérozoïque est marqué par l'apparition des premiers animaux à coquille. Il débute il y a 541 ± 0,1 millions années et s'étend jusqu'à nos jours. Son commencement coïncide avec l' explosion cambrienne, l'apparition rapide de la plupart des grands embranchements actuels de métazoaires (animaux pluricellulaires),.

Le dernier supercontinent, la Pangée, se forme il y a approximativement 335 millions d'années puis commence à se disloquer il y a 175 millions d'années.

Pendant cet éon, la biosphère a connu cinq extinctions massives. La dernière d'entre elles se produit il y a 66 millions d'années, sa cause généralement admise étant une météorite entrée en collision avec la Terre qui aurait créé l' impact de Chicxulub. La conséquence est l'extermination des dinosaures (excepté les aviens) et d'autres grands reptiles, affectant sans les éteindre de plus petits animaux comme les mammifères, les oiseaux, ou encore les lézards,.

Au cours des 66 Ma suivants, les mammifères se sont diversifiés et, il y a environ 6 Ma, des hominiens comme le Orrorin tugenensis développent la capacité de se tenir debout,. Il s'est ensuivi un développement simultané de l'utilisation d' outils et du développement du cerveau au cours de l' histoire évolutive de la lignée humaine,. Le développement de l' agriculture puis des civilisations a permis aux humains d'avoir une influence sur la Terre, la nature et les autres formes de vie.

Le schéma actuel de périodes glaciaire s'établit au cours du Pléistocène il y a environ 2,6 Ma. Depuis, les régions de latitudes hautes connaissent des cycles de glaciation d'environ 80 000 ans, la dernière s'étant achevée il y a environ 10 000 ans.

Le futur de la Terre est très lié à celui du Soleil. Du fait de l'accumulation d' hélium dans le cœur de l' étoile, sa luminosité solaire augmente lentement à l'échelle des temps géologiques. Ainsi, la luminosité va croître de 10 % au cours des 1,1 milliard années à venir et de 40 % sur les prochaines 3,5 milliards d'années. Les modèles climatiques indiquent que l'accroissement des radiations atteignant la Terre aura probablement des conséquences dramatiques sur la pérennité de son climat " terrestre ", notamment la disparition des océans.

La Terre devrait cependant rester habitable pendant encore plus de 500 millions d'années, cette durée pouvant passer à 2,3 milliards d'années si la pression atmosphérique diminue en retirant une partie de l' azote de l'atmosphère. L'augmentation de la température terrestre va accélérer le cycle du carbone inorganique, réduisant sa concentration à des niveaux qui pourraient devenir trop faibles pour les plantes ( pour la photosynthèse du C₄) dans environ 500 à 900 millions d'années. La réduction de la végétation entraînera la diminution de la quantité d' oxygène dans l'atmosphère, ce qui provoquera la disparition progressive de la plupart des formes de vie animales. Ensuite, la température moyenne de la Terre augmentera plus vite en raison de l'emballement de l'effet de serre par la vapeur d'eau. Dans 1 à 1,7 Ga, la température sera si élevée que les océans s'évaporeront, précipitant le climat de la Terre dans celui de type vénusien, et faisant disparaître toute forme simple de vie à la surface de la Terre,.

Même si le Soleil était éternel et stable, le refroidissement interne de la Terre entraînerait la baisse du niveau de CO ₂ du fait d'une réduction du volcanisme et 35 % de l'eau des océans descendrait dans le manteau du fait de la baisse des échanges au niveau des dorsales océaniques.

Dans le cadre de son évolution, le Soleil deviendra une géante rouge dans plus de 5 milliards d'années. Les modèles prédisent qu'il gonflera jusqu'à atteindre environ 250 fois son rayon actuel,.

Le destin de la Terre est moins clair. En tant que géante rouge, le Soleil devrait perdre environ 30 % de sa masse. Ainsi, sans prendre en compte les effets de marée, la Terre se déplacerait sur une orbite à (environ 250 millions de kilomètres) du Soleil lorsque celui-ci atteindra son rayon maximal de 1,2 au] (environ 180 millions de kilomètres). Dans ce modèle, la planète ne devrait donc pas être engloutie par les couches externes du Soleil même si l'atmosphère restante finira par être " soufflée " dans l'espace, et la croûte terrestre finira par fondre pour se transformer en un océan de lave, lorsque la luminosité solaire atteindra environ 5 000 fois son niveau actuel. Cependant, une simulation de 2008 indique que l'orbite terrestre va se modifier du fait des effets de marées et poussera en réalité la Terre à entrer dans l'atmosphère du Soleil où elle sera absorbée et vaporisée - tout comme Mercure et Vénus, mais pas Mars,.

Forme et taille

Distances entre le relief de la surface et le centre de la Terre avec exagération verticale (Earth2014).

La forme de la Terre est approchée par un ellipsoïde de révolution, une sphère légèrement aplatie aux pôles,. Plus précisément, elle est dite oblate - ou aplatie - car son axe secondaire est aussi son axe de rotation. En effet, la rotation de la Terre entraîne un aplatissement aux pôles du fait de la force centrifuge, de sorte que le rayon terrestre à l' équateur est environ 21 km plus grand que celui aux pôles Nord et Sud, soit une variation de moins de 1 % du rayon,,. Le diamètre moyen du sphéroïde de référence - appelé géoïde, la surface équipotentielle du champ de pesanteur terrestre, c'est-à-dire la forme qu'adopteraient les océans terrestres en l'absence de continents et de perturbations comme le vent - est d'environ 12 742 km, ce qui est approximativement 40 008 km/ π car le mètre était initialement défini comme 1/10 000 000 e (dix-millionième) de la distance de l'équateur au pôle Nord en passant par Paris (donc un demi méridien terrestre),.

Les plus grandes variations dans la surface rocheuse de la Terre sont l' Everest (8 849 m d'altitude, soit une variation de 0,14 % du rayon) et la fosse des Mariannes (10 984 ± 25 m sous le niveau de la mer, soit une variation de 0,17 %). Du fait de l'aplatissement aux pôles et du plus grand diamètre à l'équateur, les lieux les plus éloignés du centre de la Terre sont les sommets du Chimborazo en Équateur distant de 6 384,4 km du centre de la Terre - quand bien même il culmine à 6 263 m du niveau de la mer - suivi du Huascarán au Pérou, et non l'Everest comme cela est parfois pensé,,. Pour la même raison, l'embouchure du Mississippi est plus éloignée du centre de la Terre que sa source.

Par ailleurs, du fait de sa forme, la circonférence de la Terre est de 40 075,017 km à l' équateur et de 40 007,863 km pour un méridien.

Le rayon équatorial de la Terre est de 6 378,137 km alors que le rayon polaire est de 6 356,752 km ( modèle ellipsoïde de sphère aplatie aux pôles). De plus, la distance entre son centre et la surface varie également selon les caractéristiques géographiques de 6 352,8 km au fond de l' océan Arctique à 6 384,4 km au sommet du Chimborazo,. Du fait de ces variations, le rayon moyen d'une planète selon le modèle d'une ellipsoïde est défini par convention par l' Union géodésique et géophysique internationale comme étant égal à : , où a le rayon équatorial et b le rayon polaire.

Pour la Terre, cela donne donc 6 371,008 8 km,.

La masse de la Terre est déterminée en divisant le paramètre gravitationnel standard = GM - aussi appelé, dans le cas de la Terre, constante gravitationnelle géocentrique - par la constante de gravitation G. De fait, la précision de sa mesure est donc limitée par celle de G, le produit GM pouvant être déduit pour un corps disposant de satellites avec grande précision grâce à des mesures d'accélération gravitationnelle GM / d la distance planète-satellite) d ² (où ,. Parmi les expériences célèbres pour la mesure de cette masse, on compte notamment l' expérience de Cavendish, - à l'aide d'un pendule de torsion pour déterminer G - et des méthodes liées au calcul de la densité de la Terre.

L' UAI donne pour estimation .

Comparaisons

Composition et structure

La Terre est une planète tellurique, c'est-à-dire une planète essentiellement rocheuse à noyau métallique, contrairement aux géantes gazeuses telles que Jupiter, essentiellement constituées de gaz légers ( hydrogène et hélium). Il s'agit de la plus grande des quatre planètes telluriques du Système solaire, que ce soit par la taille ou la masse. De ces quatre planètes, la Terre a aussi la masse volumique globale la plus élevée, la plus forte gravité de surface, le plus puissant champ magnétique global, la vitesse de rotation la plus élevée et est probablement la seule avec une tectonique des plaques active.

La surface externe de la Terre est divisée en plusieurs segments rigides - appelés plaques tectoniques - qui migrent de quelques centimètres par an et connaissent ainsi des déplacements majeurs sur la surface de la planète à l'échelle géologique. Environ 71 % de la surface est couverte d' océans d' eau salée, les 29 % restants étant des continents et des îles. L' eau liquide, nécessaire à la vie telle que nous la connaissons, est très abondante sur Terre, et aucune autre planète n'a encore été découverte avec de telles étendues d'eau liquide ( lacs, mers, océans) à sa surface.

Composition chimique

La Terre est principalement composée de fer (32,1 %), d' oxygène (30,1 %), de silicium (15,1 %), de magnésium (13,9 %), de soufre (2,9 %), de nickel (1,8 %), de calcium (1,5 %) et d' aluminium (1,4 %), le reste (1,2 %) consistant en des traces d'autres éléments. Les éléments les plus denses ayant tendance à se concentrer au centre de la Terre (phénomène de différenciation planétaire), il est estimé que le cœur de la Terre est composé majoritairement de fer (88,8 %), avec une plus petite quantité de nickel (5,8 %), de soufre (4,5 %) et moins de 1 % d'autres éléments.

Le géochimiste F. W. Clarke a calculé que 47 % (en poids, soit 94 % en volume) de la croûte terrestre était faite d'oxygène, présent principalement sous forme d'oxydes, dont les principaux sont les oxydes de silicium (sous forme de silicates), d' aluminium ( aluminosilicates), de fer, de calcium, de magnésium, de potassium et de sodium. La silice est le constituant majeur de la croûte, sous forme de pyroxénoïdes, les minéraux les plus communs des roches magmatiques et métamorphiques. Après une synthèse basée sur l'analyse de nombreux types de roches, Clarke a obtenu les pourcentages présentés dans le tableau ci-contre.

Structure interne

L'intérieur de la Terre, comme celui des autres planètes telluriques, est stratifié, c'est-à-dire organisé en couches concentriques superposées, ayant des densités croissantes avec la profondeur. Ces diverses couches se distinguent par leur nature pétrologique (contrastes chimiques et minéralogiques) et leurs propriétés physiques (changements d'état physique, propriétés rhéologiques).

La couche extérieure de la Terre solide, fine à très fine relativement au rayon terrestre, s'appelle la croûte ; elle est solide, et chimiquement distincte du manteau, solide, sur lequel elle repose ; sous l'effet combiné de la pression et de la température, avec la profondeur, le manteau passe d'un état solide fragile (cassant, sismogène, " lithosphérique ") à un état solide ductile (plastique, " asthénosphérique ", et donc caractérisé par une viscosité plus faible, quoique encore extrêmement élevée). La surface de contact entre la croûte et le manteau est appelée le Moho ; il se visualise très bien par les méthodes sismiques du fait du fort contraste de vitesse des ondes sismiques, entre les deux côtés. L'épaisseur de la croûte varie de 6 kilomètres sous les océans jusqu'à plus de 50 kilomètres en moyenne sous les continents.

La croûte et la partie supérieure froide et rigide du manteau supérieur sont appelés lithosphère ; leur comportement horizontalement rigide à l'échelle du million à la dizaine de millions d'années est à l'origine de la tectonique des plaques. L' asthénosphère se trouve sous la lithosphère et est une couche convective, relativement moins visqueuse sur laquelle la lithosphère se déplace en " plaques minces ". Des changements importants dans la structure cristallographique des divers minéraux du manteau, qui sont des changements de phase au sens thermodynamique, vers respectivement les profondeurs de 410 kilomètres et de 670 kilomètres sous la surface, encadrent une zone dite de transition, définie initialement sur la base des premières images sismologiques. On appelle manteau supérieur la couche qui va du Moho à la transition de phase vers 670 kilomètres de profondeur, la transition à 410 kilomètres de profondeur étant reconnue pour ne pas avoir une importance majeure sur le processus de convection mantellique, au contraire de l'autre. Par conséquent, on appelle manteau inférieur la zone comprise entre cette transition de phase à 670 kilomètres de profondeur et la limite noyau-manteau.

Sous le manteau inférieur, le noyau terrestre, composé d'environ 88 % de fer, constitue une entité chimiquement originale de tout ce qui est au-dessus, à savoir la Terre silicatée. Ce noyau est lui-même stratifié en un noyau externe liquide et très peu visqueux (viscosité de l'ordre de celle d'une huile moteur à 20 °C), qui entoure un noyau interne solide, également appelé graine. Cette graine résulte de la cristallisation du noyau du fait du refroidissement séculaire de la Terre. Cette cristallisation, par la chaleur latente qu'elle libère, est source d'une convection du noyau externe, laquelle est la source du champ magnétique terrestre. L'absence d'un tel champ magnétique sur les autres planètes telluriques laisse penser que leurs noyaux métalliques, dont les présences sont nécessaires pour expliquer les données astronomiques de densité et de moment d'inertie, sont totalement cristallisés. Selon une interprétation encore débattue de données sismologiques, le noyau interne terrestre semblerait tourner à une vitesse angulaire légèrement supérieure à celle du reste de la planète, avançant relativement de 0,1 à 0,5 ° par an.

Coupe de la Terre depuis le noyau jusqu'à l'exosphère.
Échelle respectée.

Profondeur
km

Couche

Densitég/cm
³

Épaisseur
km

Température
°C

0-35

Croûte

Lithosphère

2,2-2,9

35

0-1 100

35-100

Manteau supérieur

3,4-4,4

65

100-670

Asthénosphère

570

1 100-2 000

670-2 890

Manteau inférieur

4,4-5,6

2 220

2 000-4 000

2 890-5 100

Noyau externe

9,9-12,2

2 210

4 000-6 000

5 100-6 378

Noyau interne

12,8-13,1

1 278

6 000

La chaleur interne de la Terre est issue d'une combinaison de l'énergie résiduelle issue de l' accrétion planétaire (environ 20 %) et de la chaleur produite par les éléments radioactifs (80 %). Les principaux isotopes producteurs de chaleur de la Terre sont le potassium 40, l' uranium 238, l' uranium 235 et le thorium 232. Au centre de la planète, la température pourrait atteindre 6 726,85 °C et la pression serait de . Comme la plus grande partie de la chaleur est issue de la désintégration des éléments radioactifs, les scientifiques considèrent qu'au début de l' histoire de la Terre, avant que les isotopes à courte durée de vie ne se soient désintégrés, la production de chaleur de la Terre aurait été bien plus importante. Cette production supplémentaire, deux fois plus importante il y a trois milliards d'années qu'aujourd'hui, aurait accru les gradients de températures dans la Terre et donc le rythme de la convection mantellique et de la tectonique des plaques. Cela aurait permis la formation de roches ignées comme les komatiites, qui ne sont plus formées aujourd'hui.

La perte moyenne de chaleur par la Terre est de 87 pour une perte globale de 4,42 × 10 ¹³ W, (44,2 TW). Une portion de l'énergie thermique du noyau est transportée vers la croûte par des panaches, une forme de convection où des roches semi-fondues remontent vers la croûte. Ces panaches peuvent produire des points chauds et des trapps. La plus grande partie de la chaleur de la Terre est perdue à travers la tectonique des plaques au niveau des dorsales océaniques. La dernière source importante de perte de chaleur est la conduction à travers la lithosphère, la plus grande partie ayant lieu dans les océans, car la croûte y est plus mince que celle des continents, surtout au niveau des dorsales.

Plaques tectoniques

Les plaques tectoniques sont des segments rigides de lithosphère qui se déplacent les uns par rapport aux autres. Les relations cinématiques qui existent aux frontières des plaques peuvent être regroupées en trois domaines : des domaines de convergence où deux plaques se rencontrent, de divergence où deux plaques se séparent et des domaines de transcurrence où les plaques se déplacent latéralement les unes par rapport aux autres. Les tremblements de terre, l' activité volcanique, la formation des montagnes et des fosses océaniques sont plus fréquents le long de ces frontières. Le mouvement des plaques tectoniques est lié aux mouvements de convection ayant lieu dans le manteau terrestre.

Lorsque la densité de la lithosphère dépasse celle de l'asthénosphère sous-jacente, la première plonge dans le manteau, formant une zone de subduction. Au même moment, la remontée adiabatique du manteau asthénosphérique amène à la fusion partielle des péridotites, ce qui forme du magma au niveau des frontières divergentes et crée des dorsales. La combinaison de ces processus permet un recyclage continuel de la lithosphère océanique qui retourne dans le manteau. Par conséquent, la plus grande partie du plancher océanique est âgée de moins de 100 millions d'années. La plus ancienne croûte océanique est localisée dans l'ouest du Pacifique et a un âge estimé de 200 millions d'années,. Par comparaison, les éléments les plus anciens de la croûte continentale sont âgés de 4 030 millions d'années.

Il existe sept principales plaques, Pacifique, Nord-Américaine, Eurasienne, Africaine, Antarctique, Australienne et Sud-Américaine. Parmi les plaques importantes, on peut également citer les plaques Arabique, Caraïbe, Nazca à l'ouest de la côte occidentale de l'Amérique du Sud et la plaque Scotia dans le sud de l' océan Atlantique. La plaque indienne s'est enfoncée il y a 50 à 70 millions d'années sous la plaque eurasienne par subduction, créant le plateau tibétain et l' Himalaya. Les plaques océaniques sont les plus rapides : la plaque de Cocos avance à un rythme de 75 mm/an et la plaque pacifique à 52-69 mm/an. À l'autre extrême, la plus lente est la plaque eurasienne progressant à une vitesse de 21 mm/an.

Le relief de la Terre diffère énormément suivant le lieu. Environ 70,8 % de la surface du globe est recouverte par de l'eau et une grande partie du plateau continental se trouve sous le niveau de la mer. Les zones submergées ont un relief aussi varié que les autres dont une dorsale océanique faisant le tour de la Terre ainsi que des volcans sous-marins, des fosses océaniques, des canyons sous-marins, des plateaux et des plaines abyssales. Les 29,2 % non recouvertes d'eau sont composés de montagnes, de déserts, de plaines, de plateaux et d'autres géomorphologies.

La surface planétaire subit de nombreuses modifications du fait de la tectonique des plaques et de l' érosion. Les éléments de surface construits ou déformés par la tectonique sont sujets à une météorisation constante du fait des précipitations, des cycles thermiques et des effets chimiques. Les glaciations, l' érosion du littoral, la construction des récifs coralliens et les impacts météoritiques contribuent également aux modifications du paysage,.

Relevé altimétrique et bathymétrique de la Terre.

La lithosphère continentale est composée de matériaux de faible densité comme les roches ignées : granite et andésite. Le basalte est moins fréquent et cette roche volcanique dense est le principal constituant du plancher océanique. Les roches sédimentaires se forment par l'accumulation de sédiments qui se compactent. Environ 75 % des surfaces continentales sont recouvertes de roches sédimentaires même si elles ne représentent que 5 % de la croûte. Le troisième type de roche rencontré sur Terre est la roche métamorphique, créée par la transformation d'autres types de roche en présence de hautes pressions, de hautes températures ou les deux. Parmi les silicates les plus abondants de la surface terrestre, on peut citer le quartz, le feldspath, l' amphibole, le mica, le pyroxène et l' olivine. Les carbonates courants sont la calcite (composant du calcaire) et la dolomite. La pédosphère est la couche la plus externe de la Terre. Elle est composée de sol et est sujette au processus de formation du sol. Elle se trouve à la rencontre de la lithosphère, de l'atmosphère, de l' hydrosphère et de la biosphère.

L'altitude de la surface terrestre de la Terre varie de -418 mètres au niveau des rives de la mer Morte à 8 849 mètres au sommet de l' Everest. L'altitude moyenne des terres émergées est de 840 mètres ,.

Hydrosphère

L'abondance de l'eau sur la surface de la Terre est une caractéristique unique qui distingue la " planète bleue " des autres planètes du Système solaire. L' hydrosphère terrestre est principalement composée par les océans, mais techniquement elle inclut également les mers, les lacs, les rivières et les eaux souterraines. La Challenger Deep de la fosse des Mariannes dans l' océan Pacifique est le lieu immergé le plus profond avec une profondeur de 10 911 mètres,.

La masse des océans est d'environ 1,37 × 10 ¹⁸ , soit environ 1/4 400e de la masse totale de la Terre. Les océans couvrent une superficie de 3,618 × 10 ⁸ avec une profondeur moyenne de 3 682 mètres, soit un volume estimé à 1,332 × 10 ⁹ . Environ 97,5 % de l'eau terrestre est salée. Les 2,5 % restants sont composés d' eau douce, mais environ 68,7 % de celle-ci est immobilisée sous forme de glace.

La salinité moyenne des océans est d'environ 35 grammes de sel par kilogramme d'eau de mer (),. La plupart de ce sel a été libéré par l'activité volcanique ou par l'érosion des roches ignées. Les océans sont également un important réservoir de gaz atmosphériques dissous qui sont essentiels à la survie de nombreuses formes de vie aquatiques.

L'eau de mer a une grande influence sur le climat mondial du fait de l'énorme réservoir de chaleur que constituent les océans. Par ailleurs, des changements dans les températures océaniques peuvent entraîner des phénomènes météorologiques très importants comme El Niño.

Atmosphère

Coucher de soleil vu depuis l'ISS. Le dégradé de couleurs observé est dû à la diffusion Rayleigh de la lumière blanche dans l'atmosphère.

La Terre est entourée d'une enveloppe gazeuse qu'elle retient par attraction gravitationnelle : l' atmosphère. L'atmosphère de la Terre est intermédiaire entre celle, très épaisse, de Vénus, et celle, très ténue, de Mars. La pression atmosphérique au niveau de la mer est en moyenne de 101 325 , soit 1 par définition. L'atmosphère est constituée (en volume) de 78,08 % d' azote, de 20,95 % d' oxygène, de 0,9340 % d' argon et de 0,0415 % ou 415 ppmv ( ppm en volume) soit 0,0630 % ou 630 ppmm (ppm en masse) () de dioxyde de carbone, ainsi que de divers autres gaz dont de la vapeur d'eau. La hauteur de la troposphère varie avec la latitude entre 8 kilomètres aux pôles et 17 kilomètres à l'équateur, avec quelques variations résultant de facteurs météorologiques et saisonniers.

La biosphère de la Terre a fortement altéré son atmosphère. La photosynthèse à base d'oxygène apparue il y a plus de 2,5 milliards d'années a contribué à former l'atmosphère actuelle, principalement composée de diazote et de dioxygène, pendant la Grande Oxydation. Ce changement a permis la prolifération d' organismes aérobies de même que la formation de la couche d'ozone bloquant les rayons ultraviolets émis par le Soleil. L'atmosphère favorise également la vie en transportant la vapeur d'eau, en fournissant des gaz utiles, en faisant brûler les petites météorites avant qu'elles ne frappent la surface et en modérant les températures. Ce dernier phénomène est connu sous le nom d' effet de serre : des molécules présentes en faible quantité dans l'atmosphère bloquent la déperdition de chaleur dans l'espace et font ainsi augmenter la température globale. La vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l'ozone sont les principaux gaz à effet de serre de l'atmosphère terrestre,. Sans cette conservation de la chaleur, la température moyenne sur Terre serait de −18 °C par rapport aux 15 °C actuels.

Météorologie et climat

L'atmosphère terrestre n'a pas de limite clairement définie, elle disparaît lentement dans l' espace. Les trois quarts de la masse de l'air entourant la Terre sont concentrés dans les premiers 11 kilomètres de l'atmosphère. Cette couche la plus inférieure est appelée la troposphère. L'énergie du Soleil chauffe cette couche et la surface en dessous, ce qui entraîne une expansion du volume atmosphérique par dilatation de l'air, ce qui a pour effet de réduire sa densité et ce qui l'amène à s'élever et à être remplacé par de l'air plus dense, car plus froid. La circulation atmosphérique qui en résulte est un acteur déterminant dans le climat et la météorologie du fait de la redistribution de la chaleur entre les différentes couches d'air qu'elle implique.

Les principales bandes de circulations sont les alizés dans la région équatoriale à moins de 30° et les vents d'ouest dans les latitudes intermédiaires entre 30° et 60°,. Les courants océaniques sont également importants dans la détermination du climat, en particulier la circulation thermohaline qui distribue l'énergie thermique des régions équatoriales vers les régions polaires.

La vapeur d'eau générée par l' évaporation de surface est transportée par les mouvements atmosphériques. Lorsque les conditions atmosphériques permettent une élévation de l'air chaud et humide, cette eau se condense et retombe sur la surface sous forme de précipitations. La plupart de l'eau est ensuite transportée vers les altitudes inférieures par les réseaux fluviaux et retourne dans les océans ou dans les lacs. Ce cycle de l'eau est un mécanisme vital au soutien de la vie sur Terre et joue un rôle primordial dans l'érosion des reliefs terrestres. La distribution des précipitations est très variée en fonction de la région considérée, de plusieurs mètres à moins d'un millimètre par an,. La circulation atmosphérique, les caractéristiques topologiques et les gradients de températures déterminent les précipitations moyennes sur une région donnée.

Altocumulus lenticularis survolant des rides de pression en Antarctique.

La quantité d' énergie solaire atteignant la Terre diminue avec la hausse de la latitude. Aux latitudes les plus élevées, les rayons solaires atteignent la surface suivant un angle plus faible et doivent traverser une plus grande colonne d'atmosphère. Par conséquent, la température moyenne au niveau de la mer diminue d'environ 0,4 °C à chaque degré de latitude en s'éloignant de l'équateur. La Terre peut être divisée en ceintures latitudinaires de climat similaires selon la classification des climats. En partant de l'équateur, celles-ci sont les zones tropicales (ou équatoriales), subtropicales, tempérées et polaires. Le climat peut également être basé sur les températures et les précipitations. La classification de Köppen (modifiée par Rudolph Geiger, étudiant de Wladimir Peter Köppen) est la plus utilisée et définit cinq grands groupes (tropical humide, aride, tempéré, continental et polaire) qui peuvent être divisés en sous-groupes plus précis,.

Haute atmosphère

Au-dessus de la troposphère, l'atmosphère est habituellement divisée en trois couches, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. Chaque couche possède un gradient thermique adiabatique différent définissant l'évolution de la température avec l'altitude. Au-delà, l' exosphère se transforme en magnétosphère, où le champ magnétique terrestre interagit avec le vent solaire. La couche d'ozone se trouve dans la stratosphère et bloque une partie des rayons ultraviolets, ce qui est primordial à la vie sur Terre. La ligne de Kármán, définie comme se trouvant à 100 kilomètres au-dessus de la surface terrestre, est la limite habituelle entre l'atmosphère et l'espace.

L'énergie thermique peut accroître la vitesse de certaines particules de la zone supérieure de l'atmosphère qui peuvent ainsi échapper à la gravité terrestre. Cela entraîne une lente, mais constante " fuite " de l'atmosphère dans l'espace appelée échappement atmosphérique. Comme l' hydrogène non lié a une faible masse moléculaire, il peut atteindre la vitesse de libération plus facilement et disparaît dans l'espace à un rythme plus élevé que celui des autres gaz,. La fuite de l'hydrogène dans l'espace déplace la Terre d'un état initialement réducteur à un état oxydant. La photosynthèse fournit une source d'oxygène non lié, mais la perte d'agents réducteurs comme l'hydrogène est considérée comme une condition nécessaire à l'accumulation massive d'oxygène dans l'atmosphère. Ainsi, la capacité de l'hydrogène à quitter l'atmosphère terrestre aurait pu influencer la nature de la vie qui s'est développée sur la planète.

Actuellement, la plus grande partie de l'hydrogène est convertie en eau avant qu'il ne s'échappe du fait de l'atmosphère riche en oxygène. Ainsi, l'hydrogène qui parvient à s'échapper provient en majorité de la destruction des molécules de méthane dans la haute atmosphère.

Champ magnétique

Le champ magnétique terrestre a pour l'essentiel la forme d'un dipôle magnétique avec ses pôles actuellement situés près des pôles géographiques de la planète, l'axe du dipôle magnétique faisant un angle de 11° avec l'axe de rotation de la Terre. Son intensité à la surface terrestre varie de 0,24 à 0,66 Gauss (soit 0,24 × 10 −5 à 0,66 × 10 −5 ), les valeurs maximales se trouvant aux latitudes faibles. Son moment magnétique global est de 7,94 × 10 ¹⁵ ,.

Selon la théorie de l'effet dynamo, le champ magnétique est généré par les mouvements de convection de matériaux conducteurs au sein du noyau externe fondu. Bien que le plus souvent plus ou moins alignés avec l'axe de rotation de la Terre, les pôles magnétiques se déplacent et changent irrégulièrement d'alignement du fait de perturbations de la stabilité du noyau. Cela entraîne des inversions du champ magnétique terrestre - le pôle Nord magnétique se déplace au pôle Sud géographique, et inversement - à intervalles très irréguliers, approximativement plusieurs fois par million d'années pour la période actuelle, le Cénozoïque,. La dernière inversion s'est produite il y a environ 780 000 ans,.

Le champ magnétique forme la magnétosphère qui dévie les particules du vent solaire et de six à dix fois le rayon terrestre en direction du Soleil et jusqu'à soixante fois le rayon terrestre dans le sens inverse,. La collision entre le champ magnétique et le vent solaire forme les ceintures de Van Allen, une paire de régions toroïdales contenant un grand nombre de particules énergétiques ionisées. Lorsque, à l'occasion d'arrivées de plasma solaire plus intenses que le vent solaire moyen, par exemple lors d'événements d' éjections de masse coronale vers la Terre, la déformation de la géométrie de la magnétosphère sous l'impact de ce flux solaire permet le processus de reconnexion magnétique. Une partie des électrons de ce plasma solaire entre dans l'atmosphère terrestre en une ceinture autour aux pôles magnétiques : il se forme alors des aurores boréales,.

Orbite et rotation

La période de rotation de la Terre relativement au Soleil - appelée jour solaire - est d'environ 86 400 secondes ou 24 heures. La période de rotation de la Terre relativement aux étoiles fixes - appelée jour stellaire - est de 86 164,098 903 691 secondes de temps solaire moyen ( UT1), ou , d'après l' International Earth Rotation and Reference Systems Service,. Du fait de la précession des équinoxes, la période de rotation de la Terre relativement au Soleil - appelée jour sidéral - est de . Ainsi le jour sidéral est plus court que le jour stellaire d'environ 8,4 ms. Par ailleurs, le jour solaire moyen n'est pas constant au cours du temps et a notamment varié d'une dizaine de millisecondes depuis le début du siècle du fait de fluctuations dans la vitesse de rotation de la planète,.

Mis à part les météorites dans l' atmosphère et les satellites en orbite basse, le principal mouvement apparent des corps célestes dans le ciel terrestre est vers l'ouest à un rythme de 15 °/heure soit 15 '/minute. Pour les corps proches de l' équateur céleste, cela est équivalent à un diamètre apparent de la Lune ou du Soleil toutes les deux minutes,.

La Terre orbite autour du Soleil à une distance moyenne d'environ 150 millions de kilomètres - définissant ainsi l' unité astronomique - avec une période de révolution de 365,256 4 jours solaires - appelée année sidérale. De la Terre, cela donne un mouvement apparent du Soleil vers l'est par rapport aux étoiles à un rythme d'environ 1 °/jour, ce qui correspond à un diamètre solaire ou lunaire toutes les 12 heures. Du fait de ce mouvement et de ce déplacement de 1 °/jour, il faut en moyenne 24 heures - jour solaire - à la Terre pour réaliser une rotation complète autour de son axe et que le Soleil revienne au plan méridien, soit environ 4 minutes de plus que son jour sidéral,. La vitesse orbitale de la Terre est d'environ 29,8 km/s (107 000 km/h).

La Lune et la Terre tournent autour de leur barycentre commun en 27,32 jours relativement aux étoiles fixes. En associant ce mouvement à celui du couple Terre-Lune autour du Soleil, on obtient que la période du mois synodique - soit d'une nouvelle lune à la nouvelle lune suivante - est de 29,53 jours. Vus depuis le pôle céleste nord, les mouvements de la Terre, de la Lune et de leurs rotations axiales sont tous dans le sens direct - le même que celui de la rotation du Soleil et que toutes les planètes hormis Vénus et Uranus. Les plans orbitaux et axiaux ne sont pas précisément alignés, l'axe de la Terre est incliné de 23,44° par rapport à la perpendiculaire au plan orbital Terre-Soleil et le plan orbital Terre-Lune est incliné de 5° par rapport au plan orbital Terre-Soleil. Sans cette inclinaison, il y aurait une éclipse toutes les deux semaines environ, avec une alternance entre éclipses lunaires et solaires,.

La sphère de Hill, sphère d'influence gravitationnelle de la Terre, a un rayon d'environ 1 500 000 kilomètres ou 0,01 ,. Il s'agit de la distance maximale jusqu'à laquelle l'influence gravitationnelle de la Terre est supérieure à celle du Soleil et des autres planètes. En conséquence, les objets orbitant autour de la Terre doivent rester dans cette sphère afin de ne pas être sortis de leur orbite du fait des perturbations dues à l'attraction gravitationnelle du Soleil. Cependant, il ne s'agit que d'une approximation et des simulations numériques ont montré que les orbites de satellites doivent être inférieures à environ la moitié voire le tiers de la sphère de Hill pour rester stables. Pour la Terre, cela correspondrait donc à 500 000 kilomètres (à titre de comparaison, le demi-grand axe Terre-Lune est d'environ 380 000 kilomètres).

La Terre, au sein du 20 Système solaire, est située dans la Voie lactée et se trouve à 28 000 années-lumière du centre galactique. Plus précisément, elle est actuellement dans le bras d'Orion, à environ années-lumière du plan équatorial de la galaxie.

Inclinaison de l'axe et saisons

L'inclinaison de l'axe terrestre (obliquité) et sa relation avec l'équateur céleste, l'écliptique et l'axe de rotation.

L'inclinaison axiale de la Terre par rapport à l' écliptique est d'exactement 23,439281° - ou 23°26'21,4119" - par convention,. Du fait de l'inclinaison axiale de la Terre, la quantité de rayonnement solaire atteignant tout point de la surface varie au cours de l'année. Cela a pour conséquence des changements saisonniers dans le climat avec un été dans l' hémisphère nord lorsque le pôle Nord pointe vers le Soleil et l' hiver lorsque le même pôle pointe dans l'autre direction. Durant l'été, les jours durent plus longtemps et le soleil monte plus haut dans le ciel. En hiver, le climat devient généralement plus froid et les jours raccourcissent. La périodicité des saisons est donnée par une année tropique valant 365,242 2 jours solaires.

La Terre et la Lune photographiées depuis Mars par la sonde Mars Reconnaissance Orbiter. Depuis l'espace, la Terre présente des phases similaires à celles de la Lune.

Au-delà du cercle arctique, le soleil ne se lève plus durant une partie de l'année - appelée nuit polaire - et, à l'inverse, ne se couche plus pendant une autre période de l'année - appelée jour polaire. Ce phénomène apparaît également au-delà du cercle antarctique de façon réciproque.

Par convention astronomique, les quatre saisons sont déterminées par les solstices - moments où la position apparente du Soleil vu de la Terre atteint son extrême méridional ou septentrional par rapport au plan de l' équateur céleste, se traduisant par une durée de jour minimale ou maximale respectivement - et les équinoxes - moment où la position apparente du Soleil est située sur l'équateur céleste, se traduisant par un jour et une nuit de durée égale. Dans l'hémisphère nord, le solstice d'hiver a lieu vers le et celui d'été vers le , l'équinoxe de printemps a lieu vers le et l'équinoxe d'automne vers le . Dans l'hémisphère sud, les dates des solstices d'hiver et d'été et celles des équinoxes de printemps et d'automne sont inversées.

L'angle d'inclinaison de la Terre est relativement stable au cours du temps. Ainsi, à l'époque moderne, le périhélie de la Terre a lieu début janvier et l' aphélie début juillet. Cependant, ces dates évoluent au cours du temps du fait de la précession et d'autres facteurs orbitaux qui suivent un schéma cyclique connu sous le nom de paramètres de Milanković. Ainsi, l'inclinaison entraîne la nutation, un balancement périodique ayant une période de 18,6 années et l'orientation - et non l'angle - de l'axe de la Terre évolue et réalise un cycle de nutation complet en environ 25 800 années. Cette précession des équinoxes est la cause de la différence de durée entre une année sidérale et une année tropique. Ces deux mouvements sont causés par le couple qu'exercent les forces de marées de la Lune et du Soleil sur le bourrelet équatorial de la Terre. De plus, les pôles se déplacent périodiquement par rapport à la surface de la Terre selon un mouvement s'écoulant sur environ 14 mois connu sous le nom d' oscillation de Chandler.

Avant la formation de la Lune, l' axe de rotation de la Terre oscillait de façon chaotique, ce qui rendait difficile l'apparition de la vie à sa surface du fait des dérèglements climatiques causés. À la suite de la collision de l' impacteur Théia avec la proto-Terre ayant permis la formation de la Lune, l'axe de rotation de la Terre s'est retrouvé stabilisé du fait du verrouillage gravitationnel par effet de marée entre la Terre et son satellite naturel.

Cortège de la Terre

Satellites

La Terre possède un unique satellite naturel permanent connu, la Lune, située à environ 380 000 km de la Terre. Relativement grand, son diamètre est environ le quart de celui de la Terre. Au sein du Système solaire, c'est l'un des plus grands satellites naturels (après Ganymède, Titan, Callisto et Io) et le plus grand d'une planète non gazeuse. De plus, c'est la plus grande lune du Système solaire par rapport à la taille de sa planète (à noter que Charon est relativement plus grand par rapport à la planète naine Pluton). Elle est relativement proche de la taille de la planète Mercure (environ les trois quarts du diamètre de cette dernière). Les satellites naturels orbitant autour des autres planètes sont communément appelés " lunes " en référence à la Lune de la Terre.

L' attraction gravitationnelle entre la Terre et la Lune cause les marées sur Terre. Le même effet a lieu sur la Lune, de sorte que sa période de rotation est identique au temps qu'il lui faut pour orbiter autour de la Terre, ce qui implique qu'elle présente toujours la même face vers la Terre : on parle de verrouillage gravitationnel. En orbitant autour de la Terre, différentes parties du côté visible de la Lune sont illuminées par le Soleil, causant les phases lunaires.

À cause du couple des marées, la Lune s'éloigne de la Terre à un rythme d'environ 38 millimètres par an, produisant aussi l'allongement du jour terrestre de 23 microsecondes par an. Sur plusieurs millions d'années, l'effet cumulé de ces petites modifications produit d'importants changements. Ainsi, durant la période du Dévonien, il y a approximativement 410 millions d'années, il y avait ainsi 400 jours dans une année, chaque jour durant 21,8 heures.

La Lune pourrait avoir eu une influence dans le développement de la vie en régulant le climat de la Terre. Les observations paléontologiques et les simulations informatiques en mécanique planétaire montrent que l' inclinaison de l'axe de la Terre est stabilisée par les effets de marées avec la Lune. Sans cette stabilisation contre les couples appliqués par le Soleil et les planètes sur le renflement équatorial, il est supposé que l'axe de rotation aurait pu être très instable. Cela aurait alors provoqué des changements chaotiques de son inclinaison au cours des temps géologiques et pour des échelles de durées supérieures à typiquement quelques dizaines de millions d'années, comme cela semble avoir été le cas pour Mars.

La Lune est aujourd'hui à une distance de la Terre telle que, vue depuis celle-ci, notre satellite a à peu près la même taille apparente (taille angulaire) que le Soleil. Le diamètre angulaire (ou angle solide) des deux corps est quasiment identique car même si le diamètre du Soleil est 400 fois plus important que celui de la Lune, celle-ci est 400 fois plus rapprochée de la Terre que notre étoile. C'est cela qui permet de voir sur Terre et à notre époque géologique des éclipses solaires totales ou annulaires (en fonction des petites variations de distance Terre-Lune, liées à la très légère ellipticité de l'orbite sélène),.

Le consensus actuel sur les origines de la Lune est en faveur de l' hypothèse de l'impact géant entre un planétoïde de la taille de Mars, appelé Théia, et la proto-Terre nouvellement formée. Cette hypothèse explique, entre autres, le fait qu'il y ait peu de fer sur la Lune et que la composition chimique de la croûte lunaire (notamment pour des éléments-trace ainsi qu'en isotopie pour l' oxygène) soit très similaire à celle de la croûte terrestre.

Un second satellite naturel ?

Les modèles informatiques des astrophysiciens Mikael Granvik, Jérémie Vaubaillon et Robert Jedicke suggèrent que des " satellites temporaires " devraient être tout à fait communs et que " à tout instant, il devrait y avoir au moins un satellite naturel, possédant un diamètre d'un mètre, en orbite autour de la Terre " ,. Ces objets resteraient en orbite durant en moyenne dix mois avant de revenir dans une orbite solaire.

L'une des premières mentions dans la littérature scientifique d'un satellite temporaire est celle de Clarence Chant lors de la grande procession météorique de 1913 :

" Il semblerait que les corps ayant voyagé à travers l'espace, probablement selon une orbite autour du Soleil et passant près de la Terre, auraient pu être capturés par celle-ci et être amenés à se déplacer autour d'elle comme un satellite,. "

Des exemples de tels objets sont connus. Par exemple, entre 2006 et 2007, est effectivement temporairement en orbite autour de la Terre plutôt qu'autour du Soleil.

Satellites artificiels

En , on compte 2 666 satellites artificiels en orbite autour de la Terre, contre 1 167 en 2014 et 931 en 2011. Certains ne sont plus en opération comme Vanguard 1, le plus vieux d'entre eux encore en orbite. Ces satellites peuvent remplir différents objectifs comme être destinés à la recherche scientifique (par exemple le télescope spatial Hubble), aux télécommunications ou à l'observation (par exemple Météosat).

Par ailleurs, ces satellites artificiels engendrent des débris spatiaux : il s'en trouve en 2020 plus de 23 000 de plus de 10 cm de diamètre en orbite et environ un demi-million entre 1 et 10 cm de diamètre.

Depuis 1998, le plus grand satellite artificiel autour de la Terre est la Station spatiale internationale, faisant 110 m de longueur, 74 m de largeur et 30 m de hauteur et orbitant à environ 400 km d'altitude.

Autres objets du cortège

Quasi-satellites

La Terre possède de multiples quasi-satellites et coorbiteurs. Parmi eux se trouvent notamment (3753) Cruithne, un astéroïde géocroiseur possédant une orbite en fer à cheval et parfois surnommé à tort " seconde lune de la Terre " ainsi que (469219) Kamoʻoalewa, le plus stable quasi-satellite connu vers lequel des projets d'exploration spatiale ont été annoncés.

Dans le système Soleil-Terre, la Terre possède un unique astéroïde troyen : . Celui-ci oscille autour du point de Lagrange L ₄ du couple Terre-Soleil, 60° en avance par rapport à la Terre sur son orbite autour du Soleil.

En , l'existence des nuages de Kordylewski aux points L ₄ et L ₅ du système Terre-Lune est confirmée. Ces grandes concentrations de poussière n'ont été détectées que tardivement du fait de leur faible luminosité.

Habitabilité

Une planète qui peut abriter la vie est dite habitable même si la vie n'y est pas présente, ou n'en est pas originaire. La Terre fournit de l' eau liquide, des environnements où les molécules organiques complexes peuvent s'assembler et interagir, et suffisamment d'une énergie dite " douce " pour maintenir, pendant une durée suffisamment longue, le métabolisme des êtres vivants. La distance séparant la Terre du Soleil la plaçant dans une zone habitable, de même que son excentricité orbitale, sa vitesse de rotation, l'inclinaison de son axe, son histoire géologique, son atmosphère restée non-agressive pour les molécules organiques malgré une très grande évolution de composition chimique, et son champ magnétique protecteur sont autant de paramètres favorables à l'apparition de la vie terrestre et aux conditions d'habitabilité à sa surface.

Parmi les 4 500 exoplanètes découvertes jusqu'à présent, un certain nombre ont été jugées habitables, bien que ce terme soit quelque peu ambigu. Celui-ci ne désigne pas une planète où l' Homme pourrait atterrir et commencer à s'établir, mais d'un monde rocheux se trouvant dans la bonne région orbitale autour de son étoile, où la température se révèle suffisamment modérée pour que de l' eau liquide puisse exister à sa surface sans geler ou bouillir. Si la Terre remplit évidemment ces conditions, c'est également le cas de Mars, qui est pourtant loin d'être aussi hospitalière que cette dernière. Parmi ces planètes découvertes, 24 pourraient être plus propices à la vie que la Terre, donc super-habitables. La Terre pourrait donc se trouver à la 25 e place au classement des planètes les plus habitables connues.

Les formes de vie de la planète sont désignées comme formant une " biosphère ".

Les trois zones : lithosphère, hydrosphère et atmosphère.

Cette dernière correspond à l'ensemble des organismes vivants et leurs milieux de vie et peut donc être décomposée en trois zones où la vie est présente sur Terre : la lithosphère, l' hydrosphère et l' atmosphère, celles-ci interagissant également entre elles. L'apparition de la vie sur Terre est estimée à il y a au moins 3,5 d'années, point de départ de l'évolution de la biosphère,. Par ailleurs, la date d'apparition du dernier ancêtre commun universel est estimée à entre 3,5 et 3,8 milliards d'années. Aussi, environ 99 % des espèces qui ont un jour vécu sur Terre sont maintenant éteintes,.

La biosphère est divisée en une quinzaine de biomes, habités par des groupes similaires de plantes et d' animaux. Ceux-ci sont un ensemble d' écosystèmes caractéristique d'une aire biogéographique et nommé à partir de la végétation et des espèces animales qui y prédominent et y sont adaptées. Ils sont principalement séparés par des différences de latitude, d' altitude ou d' humidité. Certains biomes terrestres se trouvant au-delà des cercles Arctique et Antarctique (comme la toundra), en haute altitude ou dans les zones très arides sont relativement dépourvus de vie animale et végétale tandis que la biodiversité est maximale dans les forêts tropicales humides.

Ressources naturelles

Un chevalet de pompage de pétrole - une ressource non renouvelable - au Texas, États-Unis.

La Terre fournit des ressources naturelles qui sont exploitables et exploitées par les humains pour diverses utilisations. Il peut s'agir, par exemple, de matières premières minérales ( eau douce, minerai, etc.), de produits d'origine sauvage ( bois, gibier, etc.) ou encore de matière organique fossile ( pétrole, charbon, etc.).

Elles sont distinguées entre ressources renouvelables - qui peuvent se reconstituer sur une période courte à l'échelle humaine de temps - et non renouvelables - où au contraire la vitesse de consommation dépasse grandement leur vitesse de création,. Parmi les secondes sont notamment inclus les combustibles fossiles, qui prennent des millions d'années pour se constituer. D'importantes quantités de ces combustibles fossiles peuvent être obtenues de la croûte terrestre, comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel ou les hydrates de méthane. Ces dépôts sont utilisés pour la production d' énergie et en tant que matière première pour l' industrie chimique. Ces sources d'énergie s'opposent alors aux sources d' énergie renouvelables - telles que l' énergie solaire et l' énergie éolienne - qui ne sont pas épuisables. Les minerais, eux aussi, se forment dans la croûte terrestre et sont constitués de divers éléments chimiques utiles à la production humaine comme les métaux,.

La biosphère terrestre produit de nombreuses ressources essentielles pour les humains comme de la nourriture, du combustible, des médicaments, du dioxygène et assure également le recyclage de nombreux déchets organiques. Les écosystèmes terrestres dépendent des terres arables et de l'eau douce, tandis que les écosystèmes marins sont basés sur les nutriments dissous dans l'eau.

En 2019, l'utilisation des terres émergées - représentant 29 % de la surface de la planète, ou 149 millions de km² - est approximativement répartie ainsi :

En 2019, un rapport de l' ONU avance que l'utilisation des ressources naturelles devrait augmenter de 110 % entre 2015 et 2060, avec pour conséquence une réduction de plus de 10 % des forêts et d'environ 20 % pour d'autres habitats comme les prairies.

Risques environnementaux

D'importantes zones de la surface terrestre sont sujettes à des phénomènes météorologiques extrêmes comme des cyclones extratropicaux ( tempêtes du Cap Hatteras, tempêtes européennes, etc.) ou tropicaux (nommé ouragans, typhons ou cyclones selon la région).

Inondation à Si Phan Don, Laos, par les eaux du Mékong (2019).

Entre 1998 et 2017, près d'un demi-million de personnes sont mortes au cours d'un événement météorologique extrême. De plus, d'autres régions sont exposées aux séismes, aux glissements de terrain, aux éruptions volcaniques, aux tsunamis, aux tornades, aux dolines, aux blizzards, aux inondations, aux sécheresses ou aux incendies de forêt,.

Les activités humaines induisent une pollution de l'air et de l'eau et créent par ailleurs en certains endroits des événements tels que des pluies acides, une perte de végétation ( surpâturage, déforestation, désertification), une perte de biodiversité, une dégradation des sols, une érosion et une introduction d' espèces invasives. De plus, la pollution de l'air est responsable d'un quart des morts prématurées et des maladies de par le monde.

Selon les Nations unies, un consensus scientifique existe liant les activités humaines au réchauffement climatique du fait des émissions industrielles de dioxyde de carbone, et plus généralement des gaz à effet de serre. Cette modification du climat risque de provoquer la fonte des glaciers et des calottes glaciaires, des amplitudes de température extrêmes, d'importants changements de la météorologie et une élévation du niveau de la mer,.

Géographie humaine

Vidéo réalisée depuis la Station spatiale internationale en 2011, à partir du sud-est de l'Alaska. La première ville aperçue est San Francisco (10 s, sur la droite) puis le survol continue le long de la côte ouest des États-Unis vers Mexico (23 s, au centre). Des orages avec de la foudre sont visibles. Le survol de la cordillère des Andes se termine au-dessus de La Paz.

En 2023, la Terre compte approximativement 8 milliards d'habitants. Les projections indiquent que la population mondiale atteindra 9,7 milliards d'habitants en 2050, la croissance devant se faire notamment dans les pays en développement. Ainsi, la région de l' Afrique subsaharienne a le taux de natalité le plus élevé au monde. La densité de population humaine varie considérablement autour du monde : environ 60 % de la population mondiale vit en Asie, notamment en Chine et en Inde - qui représentent à eux seuls 35 % de la population mondiale - contre moins de 1 % en Océanie. De plus, environ 56 % de la population mondiale vit dans des zones urbaines plutôt que rurales. En 2018, d'après l'ONU, les trois plus grandes villes du monde (ayant le statut de mégapole) sont Tokyo (37 millions d'habitants), Delhi (29 millions) et Shanghai (26 millions).

Environ un cinquième de la Terre est favorable à l'exploitation humaine. En effet, les océans représentent 71 % de la surface terrestre et, parmi les 29 % restants, 10 % sont recouverts de glaciers (notamment en Antarctique) et 19 % de déserts ou de hautes montagnes. 68 % des terres émergées sont dans l' hémisphère nord et 90 % des humains y vivent. L'implantation humaine permanente la plus au nord est à Alert sur l' île d'Ellesmere au Canada (82°28′N) tandis que la plus au sud est la Base antarctique Amundsen-Scott en Antarctique (89°59'S).

La totalité des terres émergées, à l'exception de la terre Marie Byrd en Antarctique et du Bir Tawil en Afrique qui sont terra nullius, sont revendiquées par des nations indépendantes,. En 2020, les Nations unies reconnaissent 197 États dont 193 États membres. Le World Factbook , quant à lui, décompte 195 pays et 72 territoires à souveraineté limitée ou entités autonomes. Historiquement, la Terre n'a jamais connu une souveraineté s'étendant sur l'ensemble de la planète - même si de nombreuses nations ont tenté d'obtenir une domination mondiale et ont échoué.

L' Organisation des Nations unies (ONU) est une organisation internationale qui fut créée dans le but de régler pacifiquement les conflits entre nations. Les Nations unies servent principalement de lieu d'échange pour la diplomatie et le droit international public. Lorsque le consensus est obtenu entre les différents membres, une opération armée peut être envisagée.

Le premier astronaute humain à avoir orbité autour de la Terre est Youri Gagarine le . Depuis, environ 550 personnes se sont rendues dans l' espace et douze d'entre elles ont marché sur la Lune (entre en 1969 et en 1972). En temps normal, au début du siècle, les seuls humains dans l'espace sont ceux se trouvant dans la Station spatiale internationale, qui est habitée en permanence. Les astronautes de la mission sont les humains qui se sont le plus éloignés de la Terre avec 400 171 kilomètres en 1970.

Point de vue philosophique et culturel

Représentations passées

La croyance en une Terre plate a été réfutée par l'expérience dès l' Antiquité puis par la pratique grâce aux circumnavigations au début de la Renaissance. Le modèle d'une Terre sphérique s'est donc historiquement toujours imposé.

Au , Pythagore et Parménide commencent à se représenter la Terre sous la forme d'une sphère,. Cela est une déduction logique de l'observation de la courbure de l'horizon à bord d'un navire. Du fait de ces travaux, la Terre est déjà considérée comme sphérique par Platon (), par Aristote () et d'une façon générale par tous les savants grecs,. L'origine d'une croyance de sa rotation sur elle-même est attribuée à Hicétas par Cicéron. Selon Strabon, Cratès de Mallos construit au une sphère pour représenter la Terre selon la théorie dite des " cinq zones climatiques ".

Ératosthène déduit la circonférence de la Terre (longueur du méridien) de façon géométrique vers 230 av. J.-C., ; il aurait obtenu une valeur d'environ 40 000 km, ce qui constitue une mesure très proche de la réalité (40 075 km à l'équateur et 40 008 km sur un méridien passant par les pôles),. L'astronome est également à l'origine des premières évaluations de l' inclinaison de l'axe,. Dans sa Géographie, Ptolémée ( siècle) reprend les calculs d'Ératosthène et affirme clairement que la Terre est ronde.

L'idée qu'au Moyen Âge les théologies imaginaient la Terre comme plate serait un mythe inventé au siècle pour noircir l'image de cette période et il est communément admis qu'aucun savant médiéval n'a soutenu l'idée d'une Terre plate. Ainsi, les textes médiévaux évoquent généralement la Terre comme " le globe " ou " la sphère " - se rapportant notamment sur les écrits de Ptolémée, un des auteurs les plus lus et enseignés alors.

À la différence des autres planètes du Système solaire, l'humanité n'a pas considéré la Terre comme un objet mobile en rotation autour du Soleil avant le début du siècle, celle-ci étant communément pensée comme le centre de l'univers avant le développement des modèles héliocentriques.

En raison des influences chrétiennes, et du travail de théologiens comme James Ussher uniquement fondé sur l'analyse des généalogies dans la Bible pour dater l'âge de la Terre, la plupart des scientifiques occidentaux pensaient encore au siècle que la Terre était âgée de quelques milliers d'années tout au plus. Ce n'est qu'à partir du développement de la géologie que l'âge de la Terre a été réévalué. Dans les années 1860, Lord Kelvin, à l'aide d'études thermodynamiques, estime d'abord l' âge de la Terre comme étant de l'ordre de 100 millions d'années, lançant un grand débat. La découverte de la radioactivité par Henri Becquerel à la fin du siècle fournit un moyen fiable de datation et permet de prouver que l'âge de la Terre se compte en réalité en milliards d'années,.

Mythes et étymologie

Éon (Aiôn), dieu de l'éternité, et la terre-mère Tellus (Gaia romaine) avec quatre enfants personnifiant les saisons (mosaïque à Sentinum, datant du III e siècle apr. J.-C.).

La Terre a souvent été personnifiée en tant que déité, en particulier sous la forme d'une déesse comme avec Gaïa dans la mythologie grecque. À ce titre, la Terre est alors représentée par la déesse mère, déesse de la fertilité. De plus, la déesse a donné son nom aux théories Gaïa, des hypothèses environnementalistes du siècle comparant les environnements terrestres et la vie à un unique organisme s'autorégulant vers une stabilisation des conditions d'habitabilité,.

Son équivalente dans la mythologie romaine est Tellus (ou Terra mater), déesse de la fertilité. Le nom de la planète en français dérive indirectement du nom de cette déesse, découlant du latin terra signifiant le globe terrestre,.

Aussi, les mythes de la création de nombreuses religions, par exemple le premier récit de la création de la Genèse dans la Bible, relatent la création de la Terre par une ou plusieurs divinités,.

Quelques groupes religieux, souvent affiliés aux branches fondamentalistes du protestantisme et de l' islam, avancent que leur interprétation des mythes de la création dans les textes sacrés est la vérité et que celle-ci devrait être considérée comme l'égale des hypothèses scientifiques conventionnelles concernant la formation de la Terre et le développement de la vie, voire devrait les remplacer. De telles affirmations sont rejetées par la communauté scientifique, et par d'autres groupes religieux,,.

Symbolisme

Différents symboles astronomiques sont et ont été utilisés pour représenter la Terre. Le plus usuel de façon contemporaine est ( Unicode U+1F728), représentant un globe sectionné par l' équateur et un méridien et, en conséquence, les " quatre coins du monde " ou les points cardinaux. On trouve aussi un orbe crucigère, ♁ (U+2641),. Plus anciennement, on retrouve également un globe sectionné uniquement par l'équateur, (U+1F714),.

Néanmoins, leur utilisation est déconseillée par l' Union astronomique internationale qui leur privilégie des abréviations. Seul le premier est commun, trouvé par exemple en M 🜨 pour l'unité d'une masse terrestre.

La finitude écologique

Lever de Terre, photographie de William Anders, astronaute de la mission Apollo 8 (1968).

La vision humaine concernant la Terre évolue notamment grâce aux débuts de l' astronautique et la biosphère est alors vue selon une perspective globale. Cela est reflété dans le développement de l' écologie qui s'inquiète de l'impact de l'humanité sur la planète.

Dès 1931, Paul Valéry, dans son ouvrage Regards sur le monde actuel, estime que " le temps du monde fini commence ". Par " monde ", il n'entend alors pas le monde-univers des Anciens, mais notre monde actuel, c'est-à-dire, la Terre et l'ensemble de ses habitants. Dans la continuité, Bertrand de Jouvenel évoque la finitude de la Terre dès 1968.

Le philosophe Dominique Bourg, spécialiste de l' éthique du développement durable, évoque en 1993 la découverte de la finitude écologique de la Terre dans La nature en politique ou l'enjeu philosophique de l'écologie. Estimant que cette finitude est suffisamment connue et prouvée pour qu'il soit inutile de l'illustrer, il souligne qu'elle a entraîné dans nos représentations un changement radical de la relation entre l'universel et le singulier. Alors que le paradigme moderne classique postulait que l'universel commandait le singulier, et le général le particulier, on ne peut pas y réduire la relation entre le planétaire et le local. Dans l'univers systémique de l'écologie, la biosphère (le planétaire) et les biotopes (le local) sont interdépendants. Cette interdépendance du local et du planétaire fait voler en éclats le principe moteur de la modernité, qui tendait à abolir toute particularité locale au profit de principes généraux, ce en quoi le projet moderne est utopique selon lui,.

La preuve expérimentale du raccordement symbolique de l'écologie à la culture est fournie par les réactions des premiers astronautes qui, dans les années 1960, ont pu observer la planète en orbite ou depuis la Lune - et en ramener des photographies devenues iconiques telles que La Bille bleue ou Lever de Terre. Ces retours décrivant une Terre " belle, précieuse et fragile " - que l'Homme a donc le devoir de protéger - eurent une influence sur la vision du monde de la population en général,,.

La finitude écologique de la Terre est une question devenue si prégnante que certains philosophes ( Heidegger, Grondin, Schürch) ont pu parler d'une éthique de la finitude. Par ailleurs, les concepts d' empreinte écologique et de biocapacité permettent d'appréhender les problèmes liés à cette finitude de la Terre,.

Notes et références

1. Le nombre de jours solaires dans une année est par conséquent inférieur de un au nombre de ↑ jours sidéraux, car le mouvement de rotation de la Terre autour du Soleil ajoute une révolution de la planète autour de son axe. Par un calcul approximatif, 4 minutes de différence par jour font en effet au bout de 365 jours : 4×365 = 1460 minutes, soit environ 24 heures.

2. ↑ La rotation de Vénus étant rétrograde, l'inclinaison de son axe est supérieure à 90°. On pourrait dire que son axe est incliné de " -2,64° ".

3. Exprimé en ↑ fraction massique.

4. ↑ Peut localement varier entre 5 et plus de 70 kilomètres.

5. ↑ Peut localement varier entre 5 et 200 kilomètres.

6. Incluant la ↑ plaque somalienne, qui serait en train de se séparer de la plaque africaine. Voir : .

7. Cette mesure fut effectuée par le navire ↑ Kaikō en mars 1995 et est considérée comme la plus précise. Voir l'article sur Challenger Deep pour plus de détails.

8. Pour la Terre, le ↑ rayon de Hill est , où m est la masse de la Terre, a l'unité astronomique et M la masse du Soleil. Exprimé en unités astronomiques, le rayon vaut donc .

Citations originales

Références

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Mars

En 2004, les astronomes dirigeant la mission « Mars Exploration Rover » de la NASA ont confirmé que de l’eau à l’état liquide exista jadis sur la surface de Mars !
Auparavant, les scientifiques avaient émis l’hypothèse de l’existence d’eau sur Mars en des temps reculés, en raison de l’état de sa surface qui ressemblait à de l’érosion, comme ce que l’on trouve sur Terre.

Aujourd’hui, l’atmosphère de dioxyde de carbone présente sur Mars est tellement fine que c’est une planète froide et sèche, avec des pôles d’eau gelée et de dioxyde de carbone. Mais il semble que de petits jets d’eau provenant de la croûte martienne continuent de remonter à la surface par endroits.

Taille : 6779 km de diamètre
Masse :  639e21 kg (6,39 × 10^20 tonnes)
Distance au Soleil : de 207 millions de km (Périhélie) à 250 millions de km (Aphélie)
Distance à la Terre: de 56 à 400 millions de km
Caractéristique : planète la plus étudiée après la Terre
Observation : visible à l’œil nu, couleur rouge
1 jour martien : Un peu plus d’un jour terrestre (24h 39 mn)
1 année martienne : 687 jours terrestres
Robots au sol : Opportunity (M.E.R) et Curiosity (M.S.L)

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Mars

Mosaïque assemblée à partir d'images prises par l' orbiteur Viking 1 le .

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

227 944 000 km
(1,523 71 au)

Aphélie

249 230 000 km
(1,666 02 au)

Périhélie

206 655 000 km
(1,381 4 au)

Circonférence orbitale

1 429 083 000 km
(9,552 83 au)

Période de révolution

686,885 d
(≈ 1.88 a)

Période synodique

779,804 d

Vitesse orbitale moyenne

24,080 2 km/s

Vitesse orbitale maximale

26,503 km/s

Vitesse orbitale minimale

21,975 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

1,85 °

Nœud ascendant

49,6 °

Argument du périhélie

286,5 °

Satellites connus

2 ( Phobos, Déimos)

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

3 396,2 ± 0,1 km
(0,533 Terre)

Rayon polaire

3 376,2 ± 0,1 km
(0,531 Terre)

Rayon moyen
volumétrique

3 389,5 km
(0,532 Terre)

Périmètre équatorial

21 344 km
(0,532 6 Terre)

Superficie

144 798 500 km²
(0,284 Terre)

Volume

1,631 8 × 10 ¹¹ km³
(0,151 Terre)

Masse

6,418 5 × 10 ²³ kg
(0,107 Terre)

Masse volumique globale

3 933,5 ± 0,4 kg/m³

Gravité de surface

3,711 m/s²
(0,379 g)

Période de rotation
(jour sidéral)

1,025 957 d
(24,622962 h)

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

868,220 km/h

Irradiance solaire

589,2 W/m²
(0,431 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

* Maximum

* Moyenne

* Minimum

Caractéristiques de l'atmosphère

Pression atmosphérique

610 (30 à 1 155) Pa

Masse volumique au sol

0,020 kg/m³

Masse totale

2,5 × 10 ¹⁶ kg

Hauteur d'échelle

11,1 km

Masse molaire moyenne

43,34. g/ mol

Argon Ar

Monoxyde de carbone CO

Monoxyde d'azote NO

130 ppm

Histoire

Nom chinois
(élément associé)

Huǒxīng 火星 (feu)

Mars (prononcé en français : ) est la quatrième planète du Système solaire par ordre croissant de la distance au Soleil et la deuxième par ordre croissant de la taille et de la masse. Son éloignement au Soleil est compris entre 1,381 et 1,666 (206,6 à 249,2 millions de kilomètres), avec une période orbitale de 669,58 jours martiens (686,71 jours ou 1,88 année terrestre).

C'est une planète tellurique, comme le sont Mercure, Vénus et la Terre, environ dix fois moins massive que la Terre mais dix fois plus massive que la Lune. Sa topographie présente des analogies aussi bien avec la Lune, à travers ses cratères et ses bassins d'impact, qu'avec la Terre, avec des formations d'origine tectonique et climatique telles que des volcans, des rifts, des vallées, des mesas, des champs de dunes et des calottes polaires. Le plus haut volcan du Système solaire, Olympus Mons (qui est un volcan bouclier), et le plus grand canyon, Valles Marineris, se trouvent sur Mars.

Mars a aujourd'hui perdu la presque totalité de son activité géologique interne, et seuls des événements mineurs surviendraient encore épisodiquement à sa surface, tels que des glissements de terrain, sans doute des geysers de dans les régions polaires, peut-être des séismes, voire de rares éruptions volcaniques sous forme de petites coulées de lave.

La période de rotation de Mars est du même ordre que celle de la Terre et son obliquité lui confère un cycle des saisons similaire à celui que nous connaissons ; ces saisons sont toutefois marquées par une excentricité orbitale cinq fois et demie plus élevée que celle de la Terre, d'où une asymétrie saisonnière sensiblement plus prononcée entre les deux hémisphères.

Mars peut être observée à l'œil nu, avec un éclat bien plus faible que celui de Vénus mais qui peut, lors d' oppositions rapprochées, dépasser l'éclat maximum de Jupiter, atteignant une magnitude apparente de -2,91, tandis que son diamètre apparent varie de 25,1 à 3,5 secondes d'arc selon que sa distance à la Terre varie de 55,7 à 401,3 millions de kilomètres. Mars a toujours été caractérisée visuellement par sa couleur rouge, due à l'abondance de l' hématite amorphe - oxyde de fer(III) - à sa surface. C'est ce qui l'a fait associer à la guerre depuis l' Antiquité, d'où son nom en Occident d'après le dieu Mars de la guerre dans la mythologie romaine, assimilé au dieu Arès de la mythologie grecque. En français, Mars est souvent surnommée " la planète rouge " en raison de cette couleur particulière.

Avant le survol de Mars par en 1965, on pensait qu'il s'y trouvait de l'eau liquide en surface et que des formes de vie similaires à celles existant sur Terre pouvaient s'y être développées, thème très fécond en science-fiction. Les variations saisonnières d' albédo à la surface de la planète étaient attribuées à de la végétation, tandis que des formations rectilignes perçues dans les lunettes astronomiques et les télescopes de l'époque étaient interprétées, notamment par l'astronome amateur américain Percival Lowell, comme des canaux d'irrigation traversant des étendues désertiques avec de l'eau issue des calottes polaires. Toutes ces spéculations ont été balayées par les sondes spatiales qui ont étudié Mars : dès 1965, permit de découvrir une planète dépourvue de champ magnétique global, avec une surface cratérisée rappelant celle de la Lune, et une atmosphère ténue.

Depuis lors, Mars fait l'objet de programmes d'exploration plus ambitieux que pour tout autre objet du Système solaire : de tous les astres que nous connaissons, c'est en effet celui qui présente l'environnement ayant le plus de similitudes avec celui de notre planète. Cette exploration intensive nous a apporté une bien meilleure compréhension de l'histoire géologique martienne, révélant notamment l'existence d'une époque reculée - le Noachien - où les conditions en surface devaient être assez similaires à celles de la Terre à la même époque, avec la présence de grandes quantités d'eau liquide ; la sonde Phoenix a ainsi découvert à l'été 2008 de la glace d'eau à une faible profondeur dans le sol de Vastitas Borealis.

Mars possède deux petits satellites naturels, Phobos et Déimos.

La planète Mars vue par la caméra OSIRIS de la sonde spatiale Rosetta.

Quatrième planète du Système solaire par ordre de distance croissante en partant du Soleil, Mars est une planète tellurique moitié moins grande que la Terre et près de dix fois moins massive, dont la superficie est un peu inférieure à celle des terres émergées de notre planète (144,8 contre 148,9 millions de kilomètres carrés). La gravité y est le tiers de celle de la Terre, soit deux fois celle de la Lune, tandis que la durée du jour solaire martien, appelé sol, excède celle du jour terrestre d'un peu moins de 40 minutes. Mars est une fois et demie plus éloignée du Soleil que la Terre, sur une orbite sensiblement plus elliptique, et reçoit, selon sa position sur cette orbite, entre deux et trois fois moins d' énergie solaire que notre planète. L' atmosphère de Mars étant de surcroît plus de 150 fois moins dense que la nôtre, et ne produisant par conséquent qu'un effet de serre très limité, ce faible rayonnement solaire explique que la température moyenne sur Mars soit d'environ −65 °C.

La Terre et Mars à la même échelle.

Le tableau ci-dessous permet de comparer les valeurs de quelques paramètres physiques entre Mars et la Terre :

La fine atmosphère martienne, où apparaissent des nuages localement abondants, est le siège d'une météorologie particulière, dominée par des tempêtes de poussières qui obscurcissent parfois la planète tout entière. Son excentricité orbitale, cinq fois plus marquée que celle de la Terre, est à l'origine d'une asymétrie saisonnière très sensible sur Mars : dans l'hémisphère nord, la saison la plus longue est le printemps (198,6 jours), qui excède la plus courte (l'automne, 146,6 jours) de 35,5 % ; sur Terre, l'été de l'hémisphère nord, saison la plus longue, n'excède la durée de l'hiver que de 5 %. Cette particularité explique également que la superficie de la calotte polaire australe se réduise nettement plus en été que celle de la calotte polaire boréale.

La distance moyenne de Mars au Soleil est d'environ 227,937 millions de kilomètres, soit 1,523 7 . Cette distance varie entre un périhélie de 1,381 UA et un aphélie de 1,666 UA, correspondant à une excentricité orbitale de 0,093 315. La période orbitale de Mars est de 686,96 jours terrestres, soit 1,880 8 année terrestre, et le jour solaire y dure 24 h 39 min 35,244 s.

Des sept autres planètes du Système solaire, seule Mercure possède une excentricité plus élevée que celle de Mars. Toutefois, par le passé, l'orbite de Mars aurait été plus circulaire qu'aujourd'hui, avec une excentricité d'environ 0,002 il y a 1,35 million d'années. L'excentricité de Mars évoluerait selon deux cycles superposés, le premier d'une période de 96 000 ans et le second d'une période de 2 200 000 ans, de sorte qu'elle devrait encore croître au cours des 25 000 prochaines années.

L' obliquité désigne l'inclinaison de l' axe de rotation d'une planète sur son plan orbital autour du Soleil. L'obliquité de Mars est actuellement de 25,19°, proche de celle de la Terre, mais connaît des variations périodiques dues aux interactions gravitationnelles avec les autres planètes du Système solaire. Ces variations cycliques ont été évaluées par simulations informatiques dès les années 1970 comme ayant une périodicité de 120 000 ans s'inscrivant elle-même dans un super-cycle de 1,2 million d'années avec pour valeurs extrêmes 14,9° et 35,5°. Un cycle encore plus long se superposerait à cet ensemble, de l'ordre de 10 millions d'années, dû à une résonance orbitale entre la rotation de la planète et son orbite autour du Soleil, susceptible d'avoir porté à 40° l'obliquité de Mars, il y a seulement 5 millions d'années. Des simulations plus récentes, réalisées au début des années 1990, ont de surcroît révélé des variations chaotiques de l'obliquité martienne, dont les valeurs possibles s'inscriraient de à .

Encore affinées à l'aide des données recueillies par les sondes martiennes des années 1990 et 2000, ces simulations numériques ont mis en évidence la prépondérance des variations chaotiques de l'obliquité martienne dès qu'on remonte au-delà de quelques millions d'années, ce qui rend aléatoire toute évaluation de la valeur de l'obliquité au-delà de quelques dizaines de millions d'années dans le passé ou le futur. Une équipe européenne a ainsi évalué à 63 % la probabilité que l'obliquité de Mars ait atteint au moins 60° au cours du dernier milliard d'années, et à plus de 89 % au cours des trois derniers milliards d'années.

Ces variations d'obliquité induisent des variations climatiques très significatives à la surface de la planète, affectant notamment la répartition de la glace d'eau en fonction des latitudes. Ainsi, la glace tend à s'accumuler aux pôles en période de faible obliquité comme actuellement, tandis qu'elle tend à migrer aux basses latitudes en période de forte obliquité. Les données recueillies depuis le début du siècle tendent à montrer que Mars sortirait en ce moment même d'un " âge glaciaire ", notamment en raison de l'observation de structures glaciaires (glaciers, fragments de banquise et pergélisol notamment) jusqu'à des latitudes aussi basses que 30°, et qui semblent connaître une érosion active.

Dans la mesure où la pression atmosphérique moyenne au sol dépend de la quantité de dioxyde de carbone gelé aux pôles, les variations d'obliquité ont également un impact sur la masse totale de l' atmosphère de Mars, la pression atmosphérique moyenne pouvant même tomber, en période de faible obliquité, à seulement 30 Pa (à peine 5 % de la pression atmosphérique standard actuelle) et induire un réchauffement de 20 à 30 K du sous-sol martien en réduisant la conductivité thermique du régolithe dont la taille moyenne des pores serait comparable au libre parcours moyen des molécules de gaz dans une atmosphère aussi raréfiée, ce qui bloquerait la dissipation du " flux aréothermique ", c'est-à-dire du flux géothermique martien. Un tel réchauffement pourrait expliquer de nombreuses formations géologiques impliquant un sous-sol chargé d'eau liquide, sans qu'il soit nécessaire d'invoquer un accroissement passé de la pression atmosphérique ou du flux thermique de la planète.

La Terre et Mars en opposition.

Mars est la planète extérieure la plus proche de la Terre. La distance qui sépare les deux planètes est la plus faible lorsque Mars est en 17 h 58 min 49 s opposition, c'est-à-dire lorsque la Terre s'intercale entre Mars et le Soleil. Toutefois, compte tenu de l' inclinaison orbitale et de l' excentricité, le moment précis où Mars est le plus proche de la Terre peut différer de quelques jours du moment de l'opposition astronomique. Ainsi, l'opposition du avait lieu précisément à UTC. tandis que la plus grande proximité entre les deux planètes avait eu lieu la veille, le à 9 h 51 min 14 s UTC (données IMCCE).

Ces oppositions surviennent approximativement tous les 780 jours, l'avant-dernière en date s'étant produite le , la dernière le 8 décembre 2022 et les prochaines les 16 janvier 2025, 19 février 2027 et 25 mars 2029, puis les 4 mai 2031, 27 juin 2033, 15 septembre 2035, et 19 novembre 2037.

Compte tenu de l'excentricité respective des orbites de Mars et de la Terre, la distance Terre-Mars n'est pas constante à chaque opposition. L'excentricité de Mars étant plus importante que celle de la Terre, c'est lorsque Mars est au 9 h 51 min 14 s périhélie que le rapprochement est le plus favorable. Cette situation se rencontre tous les quinze ans environ, après sept oppositions. Ainsi, le à UTC, Mars était distante de la Terre de 55,758 millions de kilomètres, soit 0,372 7 ; c'est la plus grande proximité entre Mars et la Terre depuis 59 618 ans. Un rapprochement encore un peu plus resserré est prévu le , avec une distance de 55,688 millions de kilomètres.

En tenant compte des influences gravitationnelles des autres planètes sur l'excentricité orbitale de Mars, qui continuera à croître légèrement au cours des 25 000 prochaines années, il est possible de prédire des rapprochements encore plus étroits : 55,652 millions de kilomètres le et 55,651 millions de kilomètres le .

Mosaïque d'images en quasi vraies couleurs donnant une vue panoramique du cratère Victoria, large d'environ 730 m, obtenues en automne 2006 par le rover Opportunity sur Meridiani Planum.

Reconstruction tridimensionnelle interactive de Mars, hauteurs 20 fois exagérées.

Carte annotée des principaux reliefs martiens

L'étude de la géographie martienne remonte au début des années 1970 avec la sonde , qui a permis de cartographier la presque totalité de la surface martienne avec une résolution excellente pour l'époque. Ce sont les données recueillies à cette occasion sur lesquelles s'est notamment fondé le programme Viking pour le développement de ses missions et . La connaissance de la topographie martienne a fait un bond spectaculaire à la fin des années 1990 grâce à l'instrument MOLA ( Mars Orbiter Laser Altimeter) de la sonde Mars Global Surveyor, qui a permis d'accéder à des relevés altimétriques d'une très grande précision sur la totalité de la surface martienne.

Sur Mars, le méridien 0 (zéro) est celui qui passe par le centre du cratère Airy-0.

Dans le système planétocentrique, développé à partir des données acquises par le MOLA de Mars Global Surveyor et aujourd'hui le plus utilisé, les coordonnées géographiques sont exprimées sur Mars dans le système décimal - et non dans le système sexagésimal utilisé sur Terre - avec les longitudes croissant vers l'est de 0 à 360° E, les angles étant calculés à partir du plan équatorial pour les latitudes et à partir du méridien 0 pour les longitudes.

Dans le système planétographique, développé à partir des données recueillies par et aujourd'hui de moins en moins utilisé, les coordonnées sont exprimées de façon décimale avec les longitudes croissant vers l'ouest de 0 à 360° W en fonction d'un maillage projeté sur la surface de la planète. En pratique, les longitudes planétographiques et planétocentriques se déduisent facilement les unes des autres, en revanche les latitudes planétographiques peuvent être supérieures aux latitudes planétocentriques de plus d'un tiers de degré en valeur absolue.

Le niveau de référence des altitudes martiennes a, quant à lui, été défini arbitrairement comme l'altitude à laquelle la pression atmosphérique moyenne est de 610 Pa. Ceci permet de définir formellement une surface équipotentielle globale à partir de laquelle il est possible de calculer les altitudes en chaque point de la planète, bien qu'en pratique la détermination de cette surface soit assez imprécise en raison des importantes fluctuations saisonnières de la pression atmosphérique résultant du fait que le dioxyde de carbone, constituant majoritaire de l' atmosphère de Mars, est en équilibre avec le dioxyde de carbone gelé aux pôles, état d'équilibre qui varie tout au long de l'année au gré des saisons.

Carte de Mars en 30 quadrangles (par Mars Global Surveyor).

Pour en structurer l'étude, la surface de Mars a été divisée par l' USGS en 30 régions de taille semblable, 15 par hémisphère, dont la topographie établie par le MOLA de Mars Global Surveyor puis THEMIS de Mars Odyssey est disponible sur Internet sous forme de cartes au ¹⁄ 5 000 000,. Chacun de ces quadrangles a été nommé d'après l'un de ses reliefs caractéristiques, mais, dans la littérature, ils sont souvent référencés par leur numéro, préfixé du code " MC " signifiant Mars Chart.

Cette division en quadrangles est une méthode générale de cartographie, d'abord développée sur Terre à des échelles variables, puis étendue progressivement aux planètes du Système solaire pour lesquelles les données géographiques sont suffisantes pour devoir être structurées. Vénus a ainsi été divisée en huit quadrangles au ¹⁄ 10 000 000 et en 62 quadrangles au ¹⁄ 5 000 000.

Carte topographique de Mars élaborée à partir des mesures du Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) de Mars Global Surveyor.

La carte ci-contre permet de repérer les grandes régions martiennes, notamment :

la dichotomie crustale entre hémisphères nord et sud,

les grands bassins d'impact de l'hémisphère sud, Argyre par 50° S et 316° E , et Hellas par 42,7° S et 70° E , et au nord Utopia Planitia par 49,7° N et 118° E ,

le renflement de Tharsis et les trois volcans de Tharsis Montes ainsi qu'Olympus Mons et Alba Mons, dans l'hémisphère nord à gauche, et à droite les volcans d'Elysium, près d'Utopia,

le système de canyons de Valles Marineris, partant de la région de Tharsis jusqu'au petit bassin d'impact de Chryse Planitia, centré autour de 15° S et 300° E .

Le trait le plus frappant de la géographie martienne est sa " dichotomie crustale ", c'est-à-dire l'opposition très nette entre d'une part un hémisphère nord constitué d'une vaste plaine lisse à une altitude d'une demi-douzaine de kilomètres sous le niveau de référence, et d'autre part un hémisphère sud formé de plateaux souvent élevés et très cratérisés au relief pouvant être localement assez accidenté. Ces deux domaines géographiques sont séparés par une limite très nette, légèrement oblique sur l'équateur. Deux régions volcaniques proches l'une de l'autre se trouvent précisément sur cette frontière géologique, dont l'une est un immense soulèvement de 5 500 km de diamètre, le renflement de Tharsis, dont la moitié nord-ouest regroupe une douzaine de volcans majeurs parmi lesquels Olympus Mons, tandis que la région méridionale se compose d'un vaste ensemble de hauts plateaux volcaniques tels que Syria Planum et Solis Planum, et la partie orientale est marquée par le système de canyons de Valles Marineris prolongeant par l'est le réseau de Noctis Labyrinthus. Deux grands bassins d'impact sont nettement visibles dans l'hémisphère sud, Argyre Planitia et surtout Hellas Planitia, au fond duquel a été relevée la plus grande profondeur à la surface de Mars, avec une altitude de −8 200 m par rapport au niveau de référence. Le point le plus élevé se trouve quant à lui au sommet d' Olympus Mons, à 21 229 m au-dessus du niveau de référence ; cinq des six montagnes les plus hautes du Système solaire sont d'ailleurs des volcans martiens, dont quatre se trouvent sur le renflement de Tharsis et le cinquième dans la seconde région volcanique de Mars, Elysium Planitia.

Coucher de soleil vu du cratère Gusev par le rover Spirit le en vraies couleurs restituées à travers des filtres à 750, 530 et 430 nm. Le diamètre apparent du Soleil vu de Mars n'est que des deux tiers de celui vu de la Terre. La lueur de crépuscule se prolonge deux bonnes heures après le passage du soleil sous l'horizon en raison de la grande quantité de poussières présentes jusqu'à une altitude élevée dans l'atmosphère de Mars.

L'étude des bassins d'impact enfouis sous la surface a permis d'établir que la dichotomie crustale martienne remonte à plus de quatre milliards d'années avant le présent, et donc que c'est une structure héritée des premiers âges de la planète. Certaines formations plus récentes à la limite entre les deux domaines suggèrent de surcroît une relaxation isostatique des hautes terres du sud après le comblement volcanique de la dépression de l'hémisphère nord, ce qui plaide également pour la grande ancienneté de cette dichotomie.

Deux types de scénarios ont été proposés pour en rendre compte :

les premiers reposent sur la dynamique interne de la planète, les mouvements de convection du manteau et une ébauche de tectonique des plaques, à la manière de la formation des supercontinents terrestres à l'aube de l'histoire de notre planète ;

les seconds reposent sur un ou plusieurs grands impacts entraînant la fusion de l'écorce dans l'hémisphère nord. En 2022, l'identification de zones de cisaillement profondes, observables dans le canyon de Valles Marineris, les compositions minéralogiques au fond du canyon et des anomalies magnétiques viennent renforcer l'hypothèse d'un impact géant,. Des simulations numériques suggèrent que l'impact s'est produit dans l'hémisphère sud, par un bolide de 1 000 à 1 500 km de diamètre ayant une vitesse de 6 à 7 km/s et un angle d'incidence de 15 à 30 °.

Atmosphère de Mars au-dessus de Noachis Terra à l'horizon, vue depuis une sonde Viking survolant Argyre Planitia en 1976. Les couleurs ont été renforcées pour souligner l'atmosphère.

La pression et la composition exactes de l' atmosphère de Mars sont connues grâce aux premières analyses in situ effectuées en 1976 par les atterrisseurs des sondes et . Le premier observateur à avoir supposé l'existence d'une atmosphère autour de Mars est l'astronome (et compositeur) germano-britannique William Herschel qui, en 1783, attribue à la météorologie martienne certains changements observés à la surface de la planète, notamment des points blancs interprétés comme des nuages. Cette hypothèse est contestée au début du siècle suivant grâce aux progrès des télescopes à miroir, qui fournissent des images de meilleure qualité semblant montrer au contraire une surface plus statique, jusqu'à ce que surgisse à la fin du siècle le débat sur la réalité des canaux de Mars observés en Italie et popularisés par l'astronome amateur américain Percival Lowell. Un autre Américain, William Wallace Campbell, astronome de profession et pionnier de la spectroscopie, demeure sceptique quant à l'existence d'une atmosphère importante autour de Mars et annonce à l'occasion de l' opposition de 1909 n'avoir pu détecter aucune trace de vapeur d'eau dans cette éventuelle atmosphère ; son compatriote Vesto Slipher, qui soutient la théorie des canaux, annonce quant à lui le contraire. En se fondant sur les variations d' albédo du disque martien, Percival Lowell estime en 1908 la pression atmosphérique au sol à 87 (8 700 ), valeur qui demeure plus ou moins la référence jusqu'aux mesures réalisées par la sonde en 1965. La difficulté à analyser la composition de l'atmosphère martienne par spectroscopie est alors généralement attribuée à la présence de diazote, difficile à caractériser par cette technique, et c'est ainsi que l'astronome français Gérard de Vaucouleurs, qui travaille alors en Angleterre, émet en 1950 l'idée que l'atmosphère martienne serait constituée de 98,5 % de diazote, 1,2 % d' argon et 0,25 % de dioxyde de carbone. À l' observatoire McDonald du Texas, l'astronome américain d'origine néerlandaise Gerard Kuiper établit en 1952 à partir du spectre infrarouge de Mars que le dioxyde de carbone est au moins deux fois plus abondant dans l'atmosphère martienne que dans l'atmosphère terrestre, l'essentiel de cette atmosphère devant être, comme la nôtre, constituée selon lui de diazote.

On sait aujourd'hui que Mars possède une atmosphère ténue dont la pression moyenne au niveau de référence martien est par définition de 610 Pa, avec une température moyenne de 210 K (−63 °C). Elle est composée principalement de dioxyde de carbone CO ₂ (96,0 ± 0,7 %), d' argon Ar (1,93 ± 0,01 %) et de diazote N ₂ (1,89 ± 0,03 %). Viennent ensuite le dioxygène O ₂ (0,145 ± 0,009 %), le monoxyde de carbone CO (< 0,1 %), la vapeur d'eau H ₂O (0,03 %) et le monoxyde d'azote NO (0,013 %). Divers autres gaz sont présents à l'état de traces, à des concentrations ne dépassant jamais quelques parties par million, notamment le néon Ne, le krypton Kr, le méthanal (formaldéhyde) HCHO, le xénon Xe, l' ozone O ₃ et le méthane CH ₄, la concentration atmosphérique moyenne de ce dernier étant de l'ordre de 10,5 . La masse molaire moyenne des constituants gazeux de l' atmosphère de Mars serait de 43,34 .

Compte tenu de la faible gravité à la surface de Mars, la hauteur d'échelle de cette atmosphère est de 11 km, plus d'une fois et demie celle de l'atmosphère terrestre, qui n'est que de 7 km. La pression relevée à la surface varie d'à peine 30 Pa au sommet d' Olympus Mons et jusqu'à 1 155 Pa au point le plus bas du bassin d'impact d' Hellas Planitia.

Début 2004, le spectromètre infrarouge PFS de la sonde européenne Mars Express détecte de faibles concentrations de méthane (10 ppb) et de formaldéhyde (130 ppb) dans l'atmosphère martienne. Le méthane étant détruit par le rayonnement ultraviolet au bout de 340 ans seulement, sa présence implique l'existence d'une source interne. Une activité géothermique profonde, un pergélisol bombardé par les particules à haute énergie du rayonnement cosmique et une forme de vie microbienne méthanogène sont autant de sources plausibles. En outre, si l'on considère que le formaldéhyde, dont la durée de vie n'est que de 7 heures, est produit par oxydation du méthane, ces sources doivent être plus abondantes encore. Ainsi, selon cette hypothèse, la production annuelle de méthane est estimée à 2,5 millions de tonnes.

L'eau très pure ne peut exister à l'état liquide qu'en dessous du niveau de référence martien, qui correspond à peu près à la pression du point triple de l'eau, soit 611,73 Pa : à ce niveau, pour peu que la température soit suffisante (0 °C pour de l'eau pure, mais seulement 250 K (−23 °C) pour de nombreuses solutions salines, voire 210 K (−63 °C) pour certains mélanges de solutions d' acide sulfurique H ₂SO ₄), l'eau peut se trouver sous ses trois états physiques (gazeux, liquide, et solide). Au-dessus de ce niveau, en revanche, et notamment dans l'atmosphère, elle ne peut exister qu'à l'état de vapeur d'eau, qui se condense parfois en glace pour former des nuages de cristaux d'H ₂O d'apparence très semblable à celle de nos cirrus, typiquement à une altitude de 10 à 20 km ; on observe de tels nuages par exemple sur les flancs des grands volcans du renflement de Tharsis ou d' Elysium Planitia : visibles au télescope depuis la Terre dès le siècle, les nuages accrochés au sommet d' Olympus Mons avaient été pris pour de la neige, d'où le nom Nix Olympica qui avait été donné à cette région par Giovanni Schiaparelli.

Nuages vus par le rover Curiosity .

Mais le dioxyde de carbone forme lui aussi des nuages, constitués de cristaux de CO ₂ dépassant 1 de diamètre, à des altitudes plus élevées que ceux constitués de glace d'eau ; l'instrument OMEGA de la sonde Mars Express a déterminé en 2007 que ces nuages sont susceptibles d'absorber jusqu'à 40 % du rayonnement solaire, provoquant une baisse de 10 K de la température sous ces nuages, ce qui n'est pas sans conséquence sur le climat martien, notamment sur son régime des vents.

La caractéristique particulière de l'atmosphère martienne est d'être constamment chargée en poussière, dont les grains ont un diamètre moyen de l'ordre de 1,5 , responsable de la teinte ocre du ciel martien,. Cette poussière est continuellement injectée dans l'atmosphère par des tourbillons de poussière (couramment désignés par le terme anglais dust devils), comme celui observé ci-dessous par le rover Spirit le ; les prises de vue durent en tout 575 s (ce qu'indique le compteur de l'angle inférieur gauche), et trois autres tourbillons sont brièvement visibles au loin dans la moitié droite de la vue, au début de la séquence, puis près du tourbillon principal, puis tout à la fin :

Traînées laissées par des tourbillons de poussière vues par l'instrument HiRISE de Mars Reconnaissance Orbiter le au nord du cratère Antoniadi par 26,7° N et 62,8° E . La bande blanchâtre qui traverse l'image est une pente givrée sous un banc de brouillard et traversée de traînées noires.

De tels tourbillons sont loin d'être anecdotiques ; tant leur permanence que leur accumulation conduisent à empoussiérer des volumes considérables d'atmosphère, comme l'illustre un cliché saisissant (ci-contre), où l'on voit une multitude de traînées noires laissées par des tourbillons qui ont emporté la couche de poussières superficielle, de couleur rouge orangé caractéristique de l' oxyde de fer(III) Fe ₂O ₃ ( hématite) amorphe, laissant apparaître les couches plus profondes de sable plus sombre, peut-être en rapport avec la région volcanique voisine de Syrtis Major Planum. La couche de poussières ainsi soulevée n'est jamais très massive ; l'étude de la grande tempête de 2001, au cours de laquelle la poussière a gagné toutes les couches atmosphériques jusqu'à 60 km d'altitude, a conduit à estimer que si toute la poussière alors soulevée se déposait uniformément entre 58° N et 58° S, elle ne formerait qu'une pellicule de 3 µm d'épaisseur. La dynamique de la poussière dans l'atmosphère martienne est conditionnée par la ténuité de cette atmosphère et par la faible gravité à la surface de la planète. Ainsi, alors que les grains de poussière martiens ont typiquement quelques micromètres de diamètre, on a calculé que des grains de 20 µm peuvent être soulevés par des vents d'à peine 2 m/s et maintenus indéfiniment en suspension par des turbulences de seulement 0,8 m/s.

Les grains de poussière en suspension dans l'atmosphère sont responsables de la couleur rouille de cette dernière, qui vire au bleu autour du soleil lors de son coucher, comme l'ont découvert les sondes et et que les sondes suivantes ont bien illustré par la suite :

Deux vues de Mars au télescope spatial Hubble avant et pendant la grande tempête de poussières martienne de l'été 2001.

L'observation de l'activité atmosphérique de Mars à l'aide du télescope spatial Hubble entre 1996 et 1997, alors que la planète exposait son pôle nord au début du printemps, a permis de mettre en évidence le rôle de la sublimation des calottes polaires dans la génération de masses d'air à l'origine de vents qui soulèvent d'importantes quantités de poussières et sont susceptibles de déclencher de véritables tempêtes de poussières, à l'échelle de la planète tout entière, comme celle qui a affecté l'ensemble de l'atmosphère martienne en été 2001.

Du fait de son éloignement plus grand par rapport au Soleil que celui de la Terre, Mars reçoit du Soleil une énergie variant de 492 à 715 W/ m ² selon sa position sur son orbite, contre de 1 321 à 1 413 W/m ² pour la Terre, c'est-à-dire de 37,2 % à 50,6 % entre les aphélies et les périhélies respectivement. L'atmosphère martienne étant de surcroît 150 fois moins dense que celle de la Terre, elle ne produit qu'un effet de serre négligeable, d'où une température moyenne d'environ (−63 °C) à la surface de Mars, avec des variations diurnes importantes en raison de la faible inertie thermique de cette atmosphère : Viking 1 Lander avait ainsi relevé des variations diurnes allant typiquement de 184 à 242 K, soit de −89 à −31 °C, tandis que les températures extrêmes - assez variables selon les sources - seraient d'environ 130 et 297 K, c'est-à-dire de l'ordre de −145 et 25 °C.

L' obliquité de Mars est proche de celle de la Terre (respectivement contre ) mais l' excentricité de l' orbite martienne est sensiblement plus élevée (0,09332 contre 0,01671 pour la Terre) de sorte que, si Mars possède des saisons similaires à celles de la Terre, celles-ci sont d'intensité et de durée très inégales au cours de l'année martienne (voir tableau ci-contre).

L'hémisphère nord connaît ainsi des saisons moins marquées que l'hémisphère sud, car Mars est à son aphélie à la fin du printemps et à son périhélie à la fin de l'automne, d'où des hivers courts et doux et des étés longs et frais ; le printemps dure ainsi 52 jours de plus que l'automne. À l'inverse, l'hémisphère sud connaît des saisons très marquées, avec des hivers longs et très froids tandis que les étés sont courts et plus chauds que ceux de l'hémisphère nord. C'est donc dans l'hémisphère sud qu'on observe les écarts de température les plus élevés.

Le simulateur Mars24 Sunclock de la NASA donne, pour l'hémisphère nord, les dates suivantes pour le début de chaque saison :

Vers la fin du printemps austral, lorsque Mars est au plus près du Soleil, des tempêtes locales et parfois régionales apparaissent. Exceptionnellement, ces tempêtes peuvent devenir planétaires et durer plusieurs mois comme ce fut le cas en 1971 et, dans une moindre mesure, en 2001. De minuscules grains de poussière sont alors soulevés, rendant la surface de Mars quasiment invisible. Ces tempêtes de poussière naissent en général au-dessus du Bassin d'Hellas. Les importantes différences thermiques observées entre le pôle et les régions avoisinantes provoquent des vents violents à l'origine du soulèvement de fines particules dans l'atmosphère. Lors de tempêtes globales, ce phénomène provoque d'importantes modifications climatiques : les poussières en suspension absorbent le rayonnement solaire, réchauffant ainsi l'atmosphère et réduisant dans le même temps l' insolation au sol. Ainsi, lors de la tempête de 2001, la température atmosphérique s'est élevée de 30 alors que la température au sol s'est abaissée de 10 K.

Il n'existe qu'une seule cellule de Hadley sur Mars mais beaucoup plus marquée en altitude et en amplitude, joignant les deux hémisphères et qui s'inverse deux fois par an.

Enfin, l' obliquité de la planète, qui n'est pas stabilisée par la présence d'un satellite massif comme c'est le cas pour la Terre, suit un régime chaotique selon une cyclicité d'environ 120 000 ans. Elle oscille entre 0° et 60° et connaît des phases relativement stabilisées entrecoupées de changements brusques, ce qui bouleverse complètement le climat martien.

L'une des caractéristiques propres à la planète Mars est qu'une fraction significative de son atmosphère se condense alternativement au pôle sud et au pôle nord lors de l'hiver austral et de l'hiver boréal respectivement. Les conditions hivernales aux pôles - pression et température - sont en effet favorables à la condensation du dioxyde de carbone : la pression de vapeur saturante du à 150 (−123 °C) se trouve être voisine de 800 , et tombe à seulement 400 Pa à 145 K (−128 °C), qui sont des températures courantes lors de l'hiver austral ; il y a condensation du CO ₂ dès que la pression partielle de ce gaz dépasse la pression de vapeur saturante correspondant à la température à laquelle il se trouve.

La sonde Viking 1 a mesuré la pression atmosphérique sur une année complète à son point d'atterrissage situé par 22,697° N et 312,778° E dans le bassin de Chryse Planitia, à une altitude d'environ −3 300 par rapport au niveau de référence. La pression atmosphérique moyenne s'est révélée évoluer tout au long de l'année selon les saisons, avec des valeurs approximatives, en chiffres ronds, de 850 Pa au printemps, 680 Pa en été, 900 Pa en automne et 800 Pa en hiver, : ces variations s'expliquent bien si l'on considère que la calotte hivernale australe condense une masse de glace carbonique supérieure à celle de la calotte hivernale boréale, tandis qu'à l'automne de l'hémisphère nord l'essentiel de la calotte australe s'est sublimée alors que la calotte boréale commence tout juste à se condenser.

Les calottes polaires de Mars ont été observées pour la première fois au milieu du siècle par Jean-Dominique Cassini et Christian Huygens. Leur taille varie considérablement au cours des saisons par échange de dioxyde de carbone et d'eau avec l'atmosphère. On distingue ainsi, dans les deux hémisphères, une calotte polaire dite " résiduelle " ou " estivale " qui se maintient tout l'été, et une calotte polaire dite " saisonnière " ou " hivernale " qui vient la recouvrir à partir de l'automne.

L'hiver austral étant plus long et plus froid que l'hiver boréal, la calotte saisonnière australe est plus vaste que la calotte saisonnière boréale. Au cours de l'hiver austral, le CO ₂ contenu dans l'atmosphère se condense en glace carbonique au-dessus de 55° S alors que c'est plutôt au-dessus de 65° N qu'il se condense pendant l'hiver boréal. Il s'agit d'une glace de dioxyde de carbone (CO ₂) très pure et presque transparente, d'une épaisseur ne dépassant pas quelques mètres, qui laisse voir le sol à l'aplomb sur les clichés pris par les sondes spatiales en orbite au-dessus des régions polaires.

Avec ses 300 km de diamètre, la calotte résiduelle australe est à l'inverse trois fois plus petite que la calotte résiduelle boréale (1 000 km de diamètre). Elles sont de nature très différente des calottes saisonnières, contenant une forte proportion de glace d'eau mêlée de terre avec une structure stratifiée révélée par l'instrument THEMIS de la sonde 2001 Mars Odyssey, avec une épaisseur atteignant localement plusieurs kilomètres. Leurs surfaces sont entaillées par de profondes vallées, appelées chasmata (pluriel du latin désignant des vallées encaissées), qui forment des spirales dont le sens de rotation est conditionné par la force de Coriolis. Ainsi, les vallées s'enroulent autour du pôle sud dans le sens des aiguilles d'une montre alors qu'elles s'enroulent autour du pôle nord dans le sens inverse.

La calotte résiduelle boréale ne contient pas de glace carbonique, mais la calotte résiduelle australe en est presque entièrement recouverte d'une croûte d'une dizaine de mètres d'épaisseur dont la surface alvéolée rappelle celle d'une tranche de gruyère ; des observations réalisées par la sonde Mars Global Surveyor ont montré que le diamètre moyen des alvéoles augmentait au fil des saisons, suggérant un réchauffement climatique dans l'hémisphère sud (voir paragraphe suivant).

Les calottes polaires ont un impact important sur la composition atmosphérique globale de la planète. Le cycle des condensations et sublimations du CO ₂ fait varier la pression atmosphérique de près d'un tiers, et, pendant l'été boréal, la glace d'eau qui compose la calotte polaire résiduelle nord se sublime, injectant de grandes quantités de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Si toute la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère venait à précipiter, elle formerait une couche de moins de 10 µm d'épaisseur durant l'hiver et de plus de 40 µm en plein été.

Élargissement des alvéoles dans la couche superficielle de glace carbonique de la calotte résiduelle australe observé par Mars Global Surveyor entre deux étés martiens, ici 1999 et 2001.

La comparaison des clichés de la calotte résiduelle australe pris par Mars Global Surveyor en 1999 et en 2001 a mis en évidence une tendance générale à la régression de la croûte de glace carbonique superficielle de cette région. Ceci résulterait de la sublimation progressive du CO ₂ constituant la croûte superficielle de la calotte résiduelle australe pour laisser apparaître les couches plus profondes, constituées essentiellement de glace d'eau mêlée de poussières. Ce phénomène semble avoir été assez rapide, le bord des cavités observées dans la croûte de glace carbonique progressant alors de 3 m par année martienne. Constatée sans ambiguïté sur trois années martiennes consécutives, cette tendance à la sublimation de la calotte résiduelle australe est venue s'ajouter à diverses observations ailleurs sur la planète, telles que l'apparition de ravines sur les bords de cratères ou de dépressions, indiquant que la surface martienne est sujette à davantage de transformations qu'on le pensait jusqu'alors.

Ces données, interprétées par les scientifiques comme le signe que Mars pourrait connaître actuellement une transition entre une période glaciaire et une période interglaciaire similaire à celle qu'a connue la Terre il y a près de 12 000 ans, ont parfois été comprises par le grand public comme révélatrices d'un " réchauffement climatique martien ", d'origine nécessairement non-humaine, et contredisant, par conséquent, les conclusions du Quatrième rapport du GIEC relatives à l'origine humaine du réchauffement climatique terrestre. Les débats sur la question ont été particulièrement aigus en automne 2007, dans la foulée de la publication de ce rapport.

Avec le recul, il apparaît cependant que les observations martiennes n'ont jamais indiqué autre chose qu'un réchauffement climatique localisé à la calotte résiduelle australe, et non un réchauffement climatique global. De plus, le climat martien est très largement conditionné par les tempêtes de poussières et les variations d' albédo qui en découlent, davantage que par le rayonnement solaire - contrairement au climat terrestre - ce qui limite la pertinence des raisonnements établissant des parallèles entre les deux planètes. Et, surtout, les observations les plus récentes, notamment celles de la sonde 2001 Mars Odyssey, qui est en 2018 toujours en fonctionnement, ne confirment pas la tendance à long terme à la sublimation des calottes polaires, mais indiqueraient au contraire des variations annuelles autour d'une valeur stable.

L'absence de magnétosphère autour de Mars a pour conséquence d'exposer directement la surface de la planète aux rayons cosmiques et aux bouffées de protons solaires, à l'origine d'une radioactivité ambiante très supérieure sur Mars à celle relevée à la surface de la Terre. L'instrument MARIE - Mars Radiation Environment - de la sonde 2001 Mars Odyssey a permis, dans les années 2002-2003, d'évaluer la dose efficace en orbite martienne entre 400 et 500 , soit au moins le quadruple de celle reçue dans la station spatiale internationale (50 à 100 mSv/an, tandis qu'au sol, au niveau de référence martien, les doses reçues seraient deux à trois fois plus faibles - un peu moins de 200 mSv/an - en raison de l'absorption d'une partie des radiations solaires et galactiques par l' atmosphère de Mars. À titre de comparaison, la radioactivité moyenne sur Terre s'élève, en France, à environ 3,5 mSv/an et la dose cumulée admise pour un astronaute sur toute sa carrière, quels que soient son sexe et son âge, n'excède pas 1 000 mSv pour plusieurs agences spatiales (européenne, russe et japonaise).

L'instrument MARIE a par ailleurs révélé que cette radioactivité est très inégalement répartie dans le temps, avec un bruit de fond d'environ 220 sur lequel s'inscrivent des pics parfois 150 fois plus intenses, correspondant aux bouffées de protons énergétiques - plusieurs dizaines de mégaélectron-volts - émis lors d'une éruption solaire ou par l'onde de choc d'une éjection de masse coronale.

À cela s'ajoutent les radiations dues aux neutrons émis par spallation des atomes à la surface de Mars sous l'impact du rayonnement cosmique. Cette contribution est estimée grâce aux données de Curiosity et de 2001 Mars Odyssey à jusqu'à 45 ± 7 µSv par jour, soit environ 7 % du total de radiations à la surface.

La géologie martienne est marquée par la dichotomie crustale entre les basses plaines peu cratérisées de l'hémisphère nord et les hautes terres très cratérisées de l'hémisphère sud, avec, entre ces deux domaines principaux, deux régions volcaniques bien différentiées. En vertu du principe empirique selon lequel l'âge d'une région est une fonction croissante de son taux de cratérisation, ces trois types majeurs de terrains martiens ont très tôt été rattachés à trois époques caractéristiques de l'histoire géologique de la planète, nommées d'après des régions typiques de ces périodes:

Le Noachien (du nom de Noachis Terra) correspond aux terrains les plus anciens, depuis la formation de la planète il y a 4,6 milliards d'années, jusqu'à 3,7 milliards d'années selon l' échelle de Hartmann & Neukum (mais 3,5 milliards d'années selon l'échelle de Hartmann standard), fortement cratérisés et situés majoritairement dans l'hémisphère sud. Mars avait sans doute une atmosphère épaisse à cette époque, dont la pression et l' effet de serre ont certainement permis l'existence d'une hydrosphère grâce à de grandes quantités d'eau liquide. La fin de cette époque aurait été marquée par les impacts d' astéroïdes du grand bombardement tardif, daté aux environs de 4,1 à 3,8 milliards d'années, ainsi que par le début d'une intense activité volcanique, notamment dans la région du renflement de Tharsis.

L' Hespérien (du nom d' Hesperia Planum) correspond aux terrains de 3,7 à 3,2 milliards d'années selon l' échelle de Hartmann & Neukum (mais de 3,5 à 1,8 milliard d'années selon l'échelle de Hartmann standard), marqués par un épisode d'activité volcanique majeur se traduisant par des coulées de lave et des dépôts soufrés. Le champ magnétique global aurait disparu dès la fin du Noachien, permettant au vent solaire d'éroder l' atmosphère de Mars, dont la température et la pression au sol auraient commencé à baisser significativement, de sorte que l'eau liquide aurait cessé d'exister de façon permanente à la surface de la planète.

L' Amazonien (du nom d' Amazonis Planitia) correspond aux terrains de moins de 3,2 milliards d'années selon l' échelle de Hartmann & Neukum (mais de seulement 1,8 milliard d'années selon l'échelle de Hartmann standard), très peu cratérisés et situés très majoritairement dans l'hémisphère nord, à une altitude inférieure au niveau de référence de la planète. L'activité volcanique se serait prolongée, en perdant de son intensité tout au long de cette époque, en quatre épisodes majeurs, le dernier survenant il y a environ cent millions d'années, certains terrains volcaniques semblant même ne dater que de quelques millions d'années. L'érosion de l'atmosphère par le vent solaire se serait prolongée pendant des milliards d'années jusqu'à ce que la pression se stabilise au voisinage du point triple de l'eau pure, dont la pression est de 611,73 . Les structures géologiques amazoniennes sont marquées par l'aridité extrême de l'environnement martien, alors totalement dépourvu d' hydrosphère - ce qui n'empêche pas l'existence discontinue et épisodique d'eau liquide en certains points de la surface.

Cette chronologie en trois époques est aujourd'hui bien acceptée - la datation de chacune de ces époques demeure, en revanche, très incertaine - et permet de rendre compte des phénomènes observés à la surface de Mars par les différentes sondes en activité autour de cette planète, notamment la présence simultanée de minéraux, formés à des époques différentes, supposant pour les uns un environnement très humide et pour les autres au contraire l'absence totale d'eau liquide. Les datations proposées pour ces trois époques - ou éons - géologiques, selon l'échelle de Hartmann standard et l'échelle de Hartmann & Neukum, sont les suivantes (âges en millions d'années) :

Entre les années 1970 et 2010 les modèles de la composition de Mars se sont fondés sur celle des chondrites carbonées de type CI, considérées comme représentatives de la partie condensable de la nébuleuse protosolaire, et sur les modèles de condensation de la nébuleuse, compte tenu de la distance de Mars au Soleil. Ils ont pour l'essentiel admis que les proportions relatives des éléments aussi ou plus réfractaires que le manganèse étaient celles des CI, et que celles des éléments moins réfractaires étaient données par leurs corrélations avec les éléments réfractaires, observées ou déduites des modèles de condensation.

Au début du siècle sont apparues des discordances entre les données spectroscopiques sur la composition de la photosphère solaire et d'autres approches de la composition du Soleil ( héliosismologie, flux de neutrinos solaires, composition du vent solaire et données expérimentales sur l'opacité des métaux dans les plasmas de haute température), qui ont remis en question la représentativité des CI. Les compositions isotopiques (notamment des éléments O, Ni, Cr, Ti, Mo et W) et les teneurs en éléments en traces ont par ailleurs conduit à considérer les chondrites carbonées séparément des autres chondrites (essentiellement les chondrites ordinaires et les chondrites à enstatite), les premières restant représentatives des corps accrétés loin du Soleil mais les secondes étant désormais considérées comme mieux représentatives de la matière condensée dans les zones internes du Système solaire (dont la Terre et Mars). Un nouveau modèle de composition, fondé sur l'analyse des météorites martiennes, sur les mesures des sondes martiennes et sur les corrélations observées dans les chondrites non carbonées, implique des teneurs en éléments réfractaires 2,26 fois supérieures à celles des CI, et des teneurs en éléments lithophiles modérément volatils systématiquement plus basses (le rapport dépendant de la température de condensation de chaque élément). L'une des conséquences de ce modèle est que le noyau martien comporterait moins de de soufre (contre plus de 10 % selon les modèles antérieurs) mais en revanche un peu d' oxygène et d' hydrogène.

Structure interne " standard " de Mars :
- croûte d'environ 50 km d'épaisseur ;
- manteau d'environ 1 860 km d'épaisseur ;
- noyau d'environ 1 480 km de rayon, essentiellement, voire entièrement, liquide.

Estimations antérieures à la mission Insight

En l'absence de données sismiques exploitables - les sismomètres des sondes Viking étaient trop sensibles au vent pour effectuer des mesures fiables -, il n'a longtemps pas été possible de déterminer directement la structure interne de la planète. Un modèle standard a donc été élaboré à partir des données indirectes recueillies par les différentes sondes qui ont exploré la planète, permettant de préciser notamment la structure de son champ gravitationnel, son moment d'inertie et la densité de ses différentes couches de matériaux.

Le résultat le plus frappant est que le noyau de Mars, dont la température serait de l'ordre de 2 000 , est très certainement liquide, au moins dans sa plus grande partie,, en raison d'une charge élevée - précisément une fraction pondérale d'au moins 14,2 % - en éléments légers, notamment en soufre, qui abaissent le point de fusion du mélange de fer et de nickel supposé constituer l'essentiel du noyau. Ce noyau aurait un rayon compris entre 1 300 et 2 000 km (soit entre 38 % et 59 % du rayon de la planète), peut-être plus précisément entre 1 520 et 1 840 km (soit entre 45 % et 54 % du rayon de Mars), incertitude due en partie à l'inconnue concernant la fraction de manteau qui pourrait être liquide et réduirait par conséquent la taille du noyau ; on trouve assez souvent citée la valeur 1 480 km comme rayon du noyau de Mars, soit 43,7 % du rayon moyen de la planète elle-même (3 389,5 km). Les caractéristiques physiques (taille, densité) du noyau peuvent être approchées qualitativement par le moment d'inertie de la planète, qui peut être évalué en analysant la précession de son axe de rotation ainsi que les variations de sa vitesse de rotation à travers les modulations par effet Doppler des signaux radio émis par les sondes posées à sa surface ; les données de Mars Pathfinder ont ainsi permis d'affiner celles précédemment recueillies avec les sondes Viking et d'établir que la masse de Mars est plutôt concentrée en son centre, ce qui plaide pour un noyau dense et pas trop gros.

Le manteau de Mars serait très semblable à celui de la Terre, constitué de phases solides où dominent les silicates riches en fer, ce dernier représentant une fraction pondérale de 11 à 15,5 % du manteau.

La croûte martienne semble, en cohérence avec la topographie, bien plus épaisse dans l'hémisphère sud que dans l'hémisphère nord : un modèle simple avec une masse volumique uniforme de 2 900 kg/m ³ conduit à une épaisseur moyenne d'environ 50 km, soit 4,4 % du volume de la planète, avec comme valeurs extrêmes 92 km dans la région de Syria Planum et à peine 3 km sous le bassin d'impact d' Isidis Planitia, tandis que la croûte aurait moins de 10 km sous toute la région d' Utopia Planitia.

Résultats de la mission Insight

L'atterrisseur InSight a été construit dans le but d'étudier la structure interne de Mars grâce au sismomètre SEIS. Il fournit le le premier enregistrement d'un séisme martien.

En 2021, les données sismiques recueillies permettent pour la première fois de déterminer avec certitude le rayon du noyau martien : entre 1 810 et 1 860 km, soit environ la moitié de celui du noyau terrestre. Ce résultat, nettement supérieur aux estimations basées sur la masse et le moment d'inertie, implique que le noyau martien contient des éléments légers, peut-être de l' oxygène, en plus du fer- nickel et du soufre.

En 2023, l'analyse des ondes sismiques résultant de l'impact d'une météorite permet d'établir la présence, au-dessus du noyau, d'une couche mantellique fondue,.

Mars ne possède pas de magnétosphère. Toutefois, le magnétomètre et réflectomètre à électrons MAG/ER de la sonde Mars Global Surveyor a mis en évidence dès 1997 un magnétisme rémanent, jusqu'à 30 fois supérieur à celui de l' écorce terrestre, au-dessus de certaines régions géologiquement anciennes de l'hémisphère sud, et notamment dans la région de Terra Cimmeria et Terra Sirenum. Les mesures font état d'un champ magnétique atteignant 1,5 à 100 km d'altitude, ce qui requiert la magnétisation d'un volume significatif d'écorce martienne, d'au moins 10 ⁶ . Pendant neuf ans, Mars Global Surveyor a mesuré les paramètres magnétiques au-dessus de la surface martienne, l'instrument MGS MAG ( MGS Magnetometer) recueillant des données vectorielles depuis une altitude typiquement de 400 km, s'approchant parfois à 90 km de la surface, et MGS ER ( MGS Electron Reflectometer) mesurant le magnétisme total depuis une altitude de 185 km en moyenne. Il n'existe donc pas à l'heure actuelle de carte magnétique de la surface martienne elle-même, de même que la nature exacte des minéraux magnétisés ne peut qu'être supposée dans l'état actuel de nos connaissances.

L'étude des météorites de Mars suggère que ce paléomagnétisme résulte, comme sur Terre, de la magnétisation de minéraux ferromagnétiques tels que la magnétite Fe ₃O ₄ et la pyrrhotite Fe 1-δS dont les atomes alignent leur moment magnétique sur le champ magnétique global et figent cette configuration en passant en dessous de la température de Curie du minéral, soit par exemple 858 K (585 °C) pour la magnétite, mais seulement 593 K (320 °C) pour la pyrrhotite. Les autres minéraux candidats en tant que vecteurs du paléomagnétisme de l'écorce martienne sont l' ilménite FeTiO ₃ en solution solide avec l' hématite Fe ₂O ₃, de même structure, pour former des titanohématites, et dans une moindre mesure la titanomagnétite Fe ₂TiO ₄, dont la magnétisation et la température de Curie sont cependant inférieures.

L'absence d'un tel paléomagnétisme au-dessus des bassins d'impacts de l'hémisphère sud tels qu' Hellas et Argyre est généralement interprétée comme l'indication que Mars ne possédait plus de champ magnétique global lors de ces impacts, bien qu'il soit également possible que le refroidissement des matériaux sur le lieu de l'impact ait été trop rapide pour permettre l'alignement de leur magnétisation éventuelle sur le champ magnétique global. A contrario, un paléomagnétisme significatif, et parfois même assez élevé, a été relevé au-dessus des 14 bassins les plus anciens identifiés sur la planète. De la même façon, aucun champ magnétique notable n'a été détecté au-dessus des régions volcaniques majeures d' Elysium Planitia et du renflement de Tharsis, en revanche un magnétisme faible mais de plus forte intensité a été relevé au-dessus des provinces volcaniques plus petites et plus anciennes des hautes terres australes.

L'analyse des composantes tridimensionnelles du champ magnétique relevé en quelques dizaines de points significatifs de la surface martienne a permis à plusieurs équipes d'extrapoler la position du pôle paléomagnétique de Mars. Ces simulations - qui doivent néanmoins être prises avec un certain recul - sont assez cohérentes entre elles et conduisent à localiser l'un des pôles paléomagnétiques martiens entre 150° E et 330° E d'une part et 30° S et 90° N d'autre part, c'est-à-dire approximativement dans un rayon de 3 600 km autour d'un point situé à mi-chemin entre Alba Mons et Olympus Mons.

Fait remarquable, la magnétisation mesurée par Mars Global Surveyor est structurée en bandes parallèles de polarité opposée, rappelant celles du plancher océanique sur Terre (voir schéma ci-contre) : celui-ci cristallise de part et d'autre des dorsales au fur et à mesure que les plaques s'écartent en " mémorisant " l'orientation du champ magnétique terrestre au moment de la solidification ; chaque inversion du champ magnétique terrestre est donc " enregistrée " dans les roches ainsi formées, dont la magnétisation est par conséquent symétrique de chaque côté de chaque dorsale. Une telle symétrie n'a en revanche jamais été relevée sur Mars, de sorte qu'aucun élément ne permet actuellement de supposer l'existence passée d'une quelconque tectonique des plaques sur la planète rouge. Seule une observation à de plus hautes résolutions permettrait de clore le débat.

Lorsqu'il est global, le champ magnétique d'une planète est principalement d'origine interne. On suppose qu'il est provoqué par la convection des fluides conducteurs (c'est-à-dire des métaux liquides) composant la partie externe du noyau. Ce processus est connu sous le nom d' effet dynamo. Ces mouvements de convection impliquent l'existence d'un gradient thermique suffisant du noyau vers le manteau ; en l'absence d'un tel gradient, l'effet dynamo ne pourrait pas se maintenir.

Ce fait serait à l'origine de la disparition du champ magnétique global de Mars, il y a sans doute au moins quatre milliards d'années : les impacts d' astéroïdes du grand bombardement tardif auraient injecté suffisamment d' énergie thermique dans le manteau de Mars en convertissant en chaleur l' énergie cinétique des impacteurs, ce qui aurait stoppé l'effet dynamo en annulant le gradient thermique nécessaire à son maintien.

L'attribution de la disparition du champ magnétique global martien à un impact cosmique a été reprise dans une théorie alternative impliquant cette fois une protoplanète résiduelle de la taille de la Lune percutant Mars bien avant le grand bombardement tardif, c'est-à-dire quelques dizaines de millions d'années seulement après la formation de la planète (de façon similaire à l' impact hypothétique de Théia avec la proto-Terre), au voisinage du pôle nord actuel et sous un angle d'incidence assez faible : cet impact serait à l'origine d'une part de la dichotomie crustale, (l'idée n'est pas nouvelle, recoupant la théorie, assez discutée, du bassin boréal) et d'autre part de l'absence de paléomagnétisme dans l'écorce de l'hémisphère nord, en raison de la disparition du gradient thermique entre le noyau et le manteau dans l'hémisphère nord uniquement, laissant subsister un effet dynamo concentré dans l'hémisphère sud. Mars aurait ainsi connu transitoirement un magnétisme non pas global, mais " hémisphérique " et décentré vers le pôle sud, ce qui expliquerait l'intensité exceptionnelle du magnétisme rémanent dans certaines parties de l'écorce de l'hémisphère sud, ainsi que l'absence de paléomagnétisme notable dans l'hémisphère nord.

Cette théorie n'est pas la seule proposée pour rendre compte de la superposition d'une " dichotomie magnétique " à la dichotomie crustale martienne : la différence d'épaisseur et de structure de l'écorce martienne entre les deux hémisphères, la fonte partielle de l'écorce de l'hémisphère nord à l'origine du remodelage de sa surface, et la serpentinisation de l'écorce martienne au Noachien, sont les explications les plus couramment avancées.

Le volcanisme martien aurait débuté il y a près de quatre milliards d'années, à la fin du Noachien après le grand bombardement tardif. Il aurait connu son intensité maximale à l' Hespérien - entre 3,7 et 3,2 selon l' échelle de Hartmann & Neukum - puis se serait progressivement affaibli tout au long de l' Amazonien. Il a produit d'énormes volcans boucliers qui sont les plus grands édifices volcaniques connus du Système solaire : le plus large d'entre eux, Alba Mons, a un diamètre d'environ 1 600 km à la base, tandis que le plus gros est Olympus Mons, sur la marge occidentale du renflement de Tharsis, qui atteint 22,5 km de haut de la base au sommet. Il a également produit de nombreux stratovolcans, bien plus petits, plusieurs centaines de petits volcans de quelques centaines de mètres de large (par exemple sur Syria Planum) ainsi que des plaines de lave, similaires aux étendues volcaniques identifiées sur la Lune, sur Vénus ou sur Mercure.

La plus ancienne forme de volcanisme martien, remontant à la fin du Noachien et perdurant jusqu'au début de l'Hespérien, serait celle des étendues basaltiques qui recouvrent le fond des bassins d'impact d' Argyre Planitia et d' Hellas Planitia, ainsi que certaines étendues planes et lisses localisées entre ces deux bassins et celui d' Isidis, de façon rappelant les terrains volcaniques lisses identifiés sur Mercure (par exemple Borealis Planitia), sur Vénus (typiquement Guinevere Planitia) et sur la Lune (les " mers " lunaires), la plupart du temps corrélées à des impacts cosmiques.

Sur Mars, ces plaines de lave noachiennes constituent les régions de Malea Planum, Hesperia Planum et Syrtis Major Planum, qui se présentent comme des plateaux basaltiques dont la surface, typique de l' Hespérien, est géologiquement plus récente. La dynamique sous-jacente à ce type de volcanisme, entre fissure et point chaud, n'est pas vraiment comprise ; en particulier, on n'explique pas complètement le fait que les volcans de Malea, d' Hesperia et d' Elysium sont plus ou moins alignés sur plus d'un tiers de circonférence martienne.

Cliché d'Olympus Mons obtenu par la sonde Mars Global Surveyor . Son sommet culmine à 21,2 km au-dessus du niveau de référence martien (22,5 km au-dessus des plaines alentour), et sa base atteint 624 km de large. Il s'agit du plus haut volcan connu du Système solaire.

Le volcanisme martien est surtout connu pour ses volcans boucliers, les plus grands du Système solaire. Ce type de volcan est caractérisé par la très faible pente de ses flancs. Sur Terre, un tel volcan résulte d'épanchements de laves pauvres en silice, très fluides, qui s'écoulent facilement sur de grandes distances, formant des structures aplaties s'étalant sur des surfaces très importantes, contrairement, par exemple, aux stratovolcans, dont le cône, bien formé, a une base bien plus restreinte. Le type même de volcan bouclier est, sur Terre, le Mauna Loa, à Hawaï ; le Piton de la Fournaise, à La Réunion, en est un autre, plus petit mais très actif.

Le plus emblématique des volcans boucliers martiens, Olympus Mons, mesure quelque 22,5 km de haut pour 648 km de large et possède une caldeira sommitale de 85 × 60 × 3 km résultant de la coalescence de six cratères distincts. Mars possède les cinq plus hauts volcans connus du Système solaire (altitudes données par rapport au niveau de référence martien) :

1. Olympus Mons (21 229 m), en marge occidentale du renflement de Tharsis ;

2. Ascraeus Mons (18 225 m), volcan septentrional de Tharsis Montes ;

3. Arsia Mons (17 761 m), volcan méridional de Tharsis Montes ;

4. Pavonis Mons (14 058 m), volcan central de Tharsis Montes ;

5. Elysium Mons (14 028 m), volcan principal d'Elysium Planitia.

À titre de comparaison, le plus haut volcan vénusien, Maat Mons, ne culmine qu'à 8 000 m environ au-dessus du rayon moyen de Vénus, qui sert de niveau de référence sur cette planète.

Sur Mars se trouve également le plus large des volcans du Système solaire, Alba Mons, dont l'altitude ne dépasse pas 6 600 m mais qui s'étend sur environ 1 600 km de large.

Les volcans boucliers martiens atteignent des tailles gigantesques par rapport à leurs équivalents terrestres en raison de l'absence de tectonique des plaques sur Mars : l'écorce martienne demeure immobile par rapport aux points chauds, qui peuvent ainsi la percer au même endroit pendant de très longues périodes de temps pour donner naissance à des édifices volcaniques résultant de l'accumulation de laves pendant parfois plusieurs milliards d'années, alors que, sur Terre, le déplacement des plaques lithosphériques au-dessus de ces points chauds conduit à la formation d'un chapelet de parfois plusieurs dizaines de volcans, chacun ne demeurant actif que pendant quelques millions d'années, ce qui est bien trop bref pour permettre la formation de structures aussi imposantes que sur Mars. L' archipel d'Hawaï est le meilleur exemple terrestre illustrant le déplacement d'une plaque tectonique au-dessus d'un point chaud, en l'occurrence de la plaque pacifique au-dessus du point chaud d'Hawaï ; de la même façon, l'archipel des Mascareignes résulte du déplacement de la plaque somalienne au-dessus du point chaud de la Réunion.

Les six volcans boucliers martiens se répartissent géographiquement en deux régions volcaniques voisines d'inégale importance :

la région d'Elysium Planitia, à l'ouest d'Amazonis Planitia, où se trouvent Elysium Mons, qui semble être de nature différente (moins " rouge " et plus " gris ") des autres volcans, et trois autres volcans plus petits ;

le renflement de Tharsis, immense soulèvement crustal de 5 500 km de diamètre au sud-est d'Amazonis, où se trouvent les cinq autres grands volcans boucliers martiens ainsi que d'innombrables volcans plus petits, dont cinq seulement ont reçu un nom.

Ces volcans plus petits sont souvent des volcans boucliers anonymes, comme ceux de Syria Planum,, mais certains de taille intermédiaire rappellent davantage les stratovolcans, qui résultent de l'accumulation de dépôts de laves mêlées de cendres volcaniques. Ce sont les tholi (pluriel latin de ), édifices de taille plus modeste que les volcans boucliers, aux pentes plus accusées, surtout près du cratère, ainsi que les paterae, qui se réduisent parfois à leur caldeira. Tous ces types de volcans sont présents dans les régions du renflement de Tharsis et d' Elysium Planitia, la tendance générale étant cependant d'observer les volcans boucliers plutôt dans la région de Tharsis tandis que les volcans d'Elysium s'apparentent davantage à des stratovolcans.

La discontinuité entre Phyllosien et Theiikien, qui coïnciderait plus ou moins avec les débuts de l'hypothétique " grand bombardement tardif " ( LHB en anglais), matérialiserait l'époque d'activité volcanique maximum, qui se prolongerait au Theiikien et au Sidérikien - et donc à l' Hespérien et à l' Amazonien - en disparaissant progressivement au fur et à mesure que la planète aurait perdu l'essentiel de son activité interne. Une corrélation entre le volcanisme de l'Hespérien et les impacts cosmiques du Noachien n'est d'ailleurs pas à exclure. Ce volcanisme aurait atteint son maximum à la suite des impacts cosmiques massifs à la fin de l' éon précédent, et chacune des cinq régions volcaniques de la planète jouxte directement un bassin d'impact :

le renflement de Tharsis, plus grande formation volcanique martienne, en bordure de l'hypothétique bassin boréal, plus grand bassin d'impact de la planète (et du Système solaire), le bouclier d'Alba Mons étant, de surcroît, situé exactement aux antipodes d'Hellas Planitia ;

la région d'Elysium Mons, en bordure d'Utopia Planitia et voisine des antipodes d'Argyre Planitia ;

Malea Planum, en bordure sud-ouest d'Hellas Planitia, et Hesperia Planum en bordure nord-est, cette dernière région étant également voisine des antipodes de Chryse Planitia ;

Syrtis Major Planum, en bordure d'Isidis Planitia.

La superficie et la masse de Mars étant respectivement 3,5 et 10 fois moindres que celles de la Terre, cette planète s'est refroidie plus rapidement que la nôtre et son activité interne s'est donc réduite également plus vite : alors que le volcanisme et, plus généralement, la tectonique ( orogenèse, séismes, tectonique des plaques, etc.) sont encore très actifs sur Terre, ils ne semblent plus être notables sur Mars, où aucune tectonique des plaques, même passée, n'a jamais pu être mise en évidence.

Le volcanisme martien paraît également avoir cessé d'être actif, bien que l'âge, semble-t-il très récent, de certaines coulées de lave suggère, pour certains volcans, une activité actuellement certes très réduite, mais peut-être pas rigoureusement nulle, d'autant que Mars, contrairement à la Lune, n'a pas fini de se refroidir, et que son intérieur, loin d'être entièrement figé, contient en réalité un noyau peut-être entièrement liquide,. D'une manière générale, l'analyse des données recueillies par Mars Express a conduit une équipe de planétologues de l' ESA dirigée par l'Allemand Gerhard Neukum à proposer une séquence en cinq épisodes volcaniques :

1 : épisode volcanique majeur de l'Hespérien il y a environ 3,5 milliards d'années ;

2 et 3 : regain de volcanisme il y a environ 1,5 milliard d'années, puis entre 800 et 400 millions d'années avant le présent ;

4 et 5 : épisodes volcaniques récents d'intensité rapidement décroissante il y a environ 200 et 100 millions d'années.

Ces datations reposent sur l'évaluation du taux de cratérisation des coulées de lave correspondantes, qui semble recoupée par les observations indirectes sur le moyen terme mais contredites par les observations directes à court terme déduites de la fréquence des impacts récents observés sur plus de dix ans par les sondes satellisées autour de Mars, la principale difficulté de ce type de datation étant d'évaluer les biais statistiques introduits par la différence notable d'ordres de grandeur entre les surfaces anciennes (âgées de plus 2 milliards d'années), qui représentent une fraction importante de la surface de Mars, et les surfaces les plus récentes (âgées de moins de 200 millions d'années), qui sont comparativement extrêmement réduites.

Par ailleurs, si la fréquence des impacts récents relevée par les sondes satellisées autour de Mars semble suggérer un taux de cratérisation plus élevé que celui habituellement retenu pour dater les formations martiennes (ce qui conduirait à devoir " rajeunir " toutes ces datations), il semblerait plutôt que, sur le long terme, ce taux de cratérisation ait au contraire été divisé par trois depuis 3 milliards d'années, ce qui tendrait à " vieillir " les datations martiennes, et ce d'autant plus qu'elles sont relatives à des phénomènes récents.

La minéralogie de la surface martienne n'a longtemps pu être approchée qu'à travers l'étude de quelques dizaines de météorites de Mars. Bien que peu nombreuses et restreintes à des époques géologiques limitées, ces météorites permettent d'évaluer l'importance des roches basaltiques sur Mars. Elles soulignent les différences de composition chimique entre Mars et la Terre et témoignent de la présence d'eau liquide à la surface de la planète il y a plus de quatre milliards d'années. Les " orbiteurs ", dont les spectromètres permettent de déterminer la nature des phases solides présentes en surface, et les atterrisseurs, qui peuvent analyser chimiquement la composition d'échantillons prélevés sur des rochers ou dans le sol, nous ont permis depuis d'affiner notre connaissance des minéraux martiens.

Sphérule d'hématite sur " El Capitan " vue par le rover Opportunity en dans Meridiani Planum.

Analyses in situ par les atterrisseurs

Dès les années 1970, les sondes et ont analysé le sol martien, révélant une nature qui pourrait correspondre à l'érosion de basaltes. Ces analyses ont montré une abondance élevée en silicium Si et en fer Fe, ainsi qu'en magnésium Mg, aluminium Al, soufre S, calcium Ca et titane Ti, avec des traces de strontium Sr, d' yttrium Y et peut-être de zirconium Zr. Le taux de soufre était près de deux fois supérieur, et celui de potassium cinq fois inférieur, à la moyenne de l' écorce terrestre. Le sol contenait également des composés de soufre et de chlore ressemblant aux dépôts d' évaporites, résultant sur Terre de l'évaporation de l' eau de mer. La concentration en soufre était plus élevée en surface qu'en profondeur. Les expériences destinées à déterminer la présence d'éventuels microorganismes dans le sol martien en mesurant la libération d' oxygène après adjonction de " nutriments " ont mesuré un dégagement de molécules O ₂ significatif, ce qui, en l'absence d'autres traces biologiques par ailleurs relevées, a été attribué à la présence d' ions superoxyde O ₂−,. Le spectromètre APXS de Mars Pathfinder a réalisé en automne 1997 un ensemble de mesures exprimées en pourcentage pondéral d'oxydes qui sont venues compléter ces résultats avec ceux d'une région différente de la surface de Mars.

La teinte rougeâtre de la planète provient avant tout de l' oxyde de fer(III) Fe ₂O ₃, omniprésent à sa surface. Cette hématite amorphe (l'hématite cristallisée, quant à elle, est de couleur grise) est très présente à la surface des roches ainsi que des grains de poussière transportés par les vents qui balayent continuellement la surface de la planète, mais ne semble pas pénétrer très profondément dans le sol, à en juger par les traces laissées depuis l'hiver 2004 par les roues des roots de Mars Exploration Rover, qui montrent que la couleur rouille est celle des couches de poussières, plus épaisses et recouvertes de poussières sombres pour Opportunity, tandis que les roches elles-mêmes sont nettement plus sombres.

Par ailleurs, le sol de Mars analysé in situ par la sonde Phoenix en automne 2008 s'est révélé être alcalin () et contenir de nombreux sels, avec une abondance élevée de potassium K⁺, de chlorures Cl −, de perchlorates ClO ₄− et de magnésium Mg ²⁺,. La présence de perchlorates, notamment, a été abondamment commentée, car a priori assez peu compatible avec la possibilité d'une vie martienne. Ces sels ont la particularité d'abaisser sensiblement la température de fusion de la glace d'eau et pourraient expliquer les " ravines " - gullies en anglais - régulièrement observées par les sondes en orbite autour de la planète, qui seraient ainsi les traces d'écoulements de saumures sur des terrains en pente.

En 2018, le mini-laboratoire SAM à bord du rover Curiosity détecte des composés organiques ( thiophéniques, aromatiques et aliphatiques) dans les sols du cratère Mojave et de Confidence Hills.

Nature des terrains martiens d'après le spectroscope TES de Mars Global Surveyor . L'hématite grise (cristallisée) apparaît en rouge ; cela a permis de sélectionner le site d'atterrissage du rover Opportunity dans Meridiani Planum.

Taux d'hématite grise dans le cratère Eagle vu par l'instrument Mini-TES du lander du rover Opportunity superposés à une vue panoramique du cratère. Les taches bleues au premier plan indiquent que les rebonds des airbags protecteurs sur le sol ont enlevé la poussière riche en hématite.

Des sondes américaines (notamment 2001 Mars Odyssey et Mars Reconnaissance Orbiter) et européenne (Mars Express) étudient globalement la planète depuis plusieurs années (respectivement 2002, 2006 et 2003), permettant d'élargir et d'affiner notre compréhension de sa nature et de son histoire. Si elles ont confirmé la prédominance des basaltes à la surface de la planète, ces sondes ont également recueilli quelques résultats inattendus.

Ainsi, la sonde Mars Express, de l' ESA, possède un instrument appelé OMEGA - " Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité " - de réalisation essentiellement française, sous la responsabilité de Jean-Pierre Bibring, de l' IAS à Orsay, qui mesure le spectre infrarouge (dans les longueurs d'onde comprises entre 0,35 et 5,2 ) de la lumière solaire réfléchie par la surface martienne dans le but d'y déceler le spectre d'absorption des différents minéraux qui la composent. Cette expérience a pu confirmer l'abondance des roches ignées sur la surface de Mars, notamment des olivines et des pyroxènes, ces derniers ayant un taux de calcium plus bas dans les hautes terres cratérisées de l'hémisphère sud que dans le reste de la planète, où on le rencontre avec de l' olivine ; ainsi, les matériaux les plus anciens de l'écorce martienne se seraient formés à partir d'un manteau appauvri en aluminium et en calcium.

Olivines et pyroxènes sont les constituants principaux des péridotites, des roches plutoniques bien connues sur Terre pour être le principal constituant du manteau.

Une découverte déterminante dans la compréhension de l'histoire de Mars a été l'identification par OMEGA de phyllosilicates largement répandus dans les régions les plus anciennes de la planète, révélant l'interaction prolongée des roches ignées avec l'eau liquide. L'instrument CRISM - Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars - de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter a permis de préciser la nature de ces minéraux.

OMEGA a également permis de détecter, en de nombreux endroits de la planète, des sulfates hydratés, tels que, par exemple, de la kiesérite MgSO ₄*H ₂O dans la région de Meridiani Planum, voire, dans la région de Valles Marineris, des sulfates encore davantage hydratés dont il n'a pas été possible d'identifier la nature minéralogique, ainsi que des dépôts de gypse CaSO ₄*2H ₂O sur de la kiesérite au fond d'un lac asséché, indiquant un changement de nature saline de ce plan d'eau au cours de son assèchement, passant du sulfate de magnésium au sulfate de calcium.

De vastes étendues de sulfate de calcium hydraté, vraisemblablement du gypse, ont également été détectées en bordure de la calotte polaire boréale. La présence de ces minéraux hydratés est une indication forte de la présence passée d'étendues d'eau liquide à la surface de Mars, une eau contenant notamment des sulfates de magnésium et de calcium dissous.

La sonde 2001 Mars Odyssey a détecté également la présence de chlorures dans les hautes terres de l'hémisphère sud, résultant de l'évaporation de plans d'eau salée ne dépassant pas 25 en divers endroits de ces terrains anciens remontant au Noachien voire, pour certains, au début de l' Hespérien.

L'un des résultats les plus étonnants de Mars Reconnaissance Orbiter provient de l'étude détaillée en 2008 de la région de Nili Fossae, identifiée début 2009 comme source d'importants dégagements de méthane. Le méthane a été détecté dès 2003 dans l' atmosphère de Mars, aussi bien par des sondes telles que Mars Express que depuis la Terre ; ces émissions de se concentreraient notamment en trois zones particulières de la région de Syrtis Major Planum. Or le méthane est instable dans l'atmosphère martienne, des études récentes suggérant même qu'il soit six cents fois moins stable qu'estimé initialement (on évaluait sa durée de vie moyenne à 300 ans) car le taux de méthane n'a pas le temps de s'uniformiser dans l'atmosphère et demeure concentré autour de ses zones d'émission, ce qui correspondrait à une durée de vie de quelques centaines de jours ; la source de méthane correspondante serait par ailleurs 600 fois plus puissante qu'estimé initialement, émettant ce gaz une soixantaine de jours par année martienne, à la fin de l'été de l'hémisphère nord.

Visualisation d'un dégagement de méthane dans l'atmosphère de Mars début 2009, pendant l'été de l'hémisphère nord martien.

Les analyses géologiques menées en 2008 par la sonde Mars Reconnaissance Orbiter dans la région de Nili Fossae ont révélé la présence d' argiles ferromagnésiennes (smectites), d' olivine (silicate ferromagnésien (Mg,Fe) ₂SiO ₄, détectée dès 2003) et de magnésite (carbonate de magnésium MgCO ₃), révélant la présence d'argiles riches en fer, en magnésium, en olivine et en carbonate de magnésium ainsi qu'en serpentine. La présence simultanée de ces minéraux permet d'expliquer assez simplement la formation de méthane, car, sur Terre, du méthane CH ₄ se forme en présence de carbonates - tels que le MgCO ₃ détecté en 2008 - et d'eau liquide lors du métamorphisme hydrothermal d' oxyde de fer(III) Fe ₂O ₃ ou d'olivine (Mg,Fe) ₂SiO ₄ en serpentine (Mg,Fe) ₃Si ₂O ₅(OH) ₄, particulièrement lorsque le taux de magnésium dans l'olivine n'est pas trop élevé et lorsque la pression partielle de dioxyde de carbone CO ₂ est insuffisante pour conduire à la formation de talc Mg ₃Si ₄O ₁₀(OH) ₂ mais aboutit au contraire à la formation de serpentine et de magnétite Fe ₃O ₄, comme dans la réaction :

L' olivine, découverte dans la région de Nili Fossae ainsi qu'en d'autres régions martiennes par le Thermal Emission Spectrometer (TES) de Mars Global Surveyor, est un minéral instable en milieu aqueux, donnant facilement d'autres minéraux tels que de l' iddingsite, de la goethite, de la serpentine, des chlorites, des smectites, de la maghémite et de l' hématite ; la présence d'olivine sur Mars indique donc des surfaces qui n'ont pas été exposées à l'eau liquide depuis la formation de ces minéraux, laquelle remonte à plusieurs milliards d'années, jusqu'au Noachien pour les terrains les plus anciens. Il s'agit donc d'une indication forte de l'aridité extrême du climat martien au cours de l' Amazonien, aridité qui avait, semble-t-il, déjà commencé, au moins localement, à la fin de l' Hespérien.

Par ailleurs, la découverte, par le rover martien Opportunity sur Meridiani Planum en 2004, de jarosite, un sulfate ferrique hydraté de sodium (sur Terre, le sodium y est remplacé par le potassium) de formule NaFe(III)₃(OH) ₆(SO ₄) ₂, a permis de préciser encore davantage l'enchainement des épisodes climatiques sur Mars. Ce minéral se forme en effet, sur Terre, par l'altération de roches volcaniques en milieu aqueux oxydant acide, de sorte que sa détection sur Mars implique l'existence d'une période de climat humide permettant l'existence d'eau liquide acide. Mais ce minéral est également assez rapidement dégradé par l'humidité, pour former des oxyhydroxydes ferriques tels que la goethite α-FeO(OH), qui a par ailleurs été retrouvée en d'autres endroits de la planète (notamment par le rover Spirit dans le cratère Gusev). Par conséquent, la formation de la jarosite en climat humide a dû être rapidement suivie jusqu'à nos jours d'un climat aride afin de préserver ce minéral, nouvelle indication que l'eau liquide avait cessé d'exister à l' Amazonien mais avait été présente aux époques antérieures de l'histoire de Mars.

Le , la Nasa annonce y avoir détecté des écoulements de " saumures de différentes compositions, faites de chlorate et perchlorate de magnésium et de perchlorate de sodium, mêlés à un peu d'eau. ". D'après les analyses, il y aurait de l'eau liquide ou glacée dans le sous-sol martien.

Le scénario qui suit se veut une synthèse plausible déduite des connaissances actuelles issues des différentes campagnes d'exploration de Mars depuis une quarantaine d'années et dont les résultats sont résumés dans l'article Géologie de Mars.

Comme les autres planètes du Système solaire, Mars se serait formée il y a environ 4,6 milliards d'années par accrétion gravitationnelle de planétésimaux résultant de la condensation de la nébuleuse solaire. Étant située en deçà de la limite des 4 du Soleil, au-delà de laquelle peuvent se condenser les composés volatils tels que l' eau H ₂O, le méthane CH ₄ ou encore l' ammoniac NH ₃, Mars s'est formée à partir de planétésimaux de nature essentiellement sidérophile (riches en fer) et lithophile (constitués de silicates), mais avec une teneur accrue en éléments chalcophiles, à commencer par le soufre qui semble bien plus abondant sur Mars que sur Terre, comme l'ont révélé des mesures réalisées par Mars Global Surveyor.

Cette teneur élevée en soufre aurait eu pour effet de favoriser la différenciation du globe martien, d'une part en abaissant la température de fusion des matériaux qui le constituent, et d'autre part en formant des sulfures de fer qui ont séparé chimiquement le fer des silicates et ont accéléré sa concentration au centre de la planète pour y former un noyau d'éléments sidérophiles, plus riche en éléments chalcophiles que le noyau terrestre ; l'étude des isotopes radiogéniques des météorites de Mars, et notamment du système /, a ainsi révélé que le noyau de Mars se serait formé en à peine 30 millions d'années, contre plus de 50 millions d'années pour la Terre. Ce taux d'éléments légers expliquerait à la fois pourquoi le noyau de Mars est encore liquide, et pourquoi les épanchements de lave les plus anciens identifiés à la surface de la planète semblent avoir été particulièrement fluides, jusqu'à s'écouler sur près d'un millier de kilomètres autour d' Alba Patera par exemple.

La nature des planétésimaux qui ont conduit à la formation de la planète a déterminé la nature de l' atmosphère primordiale de Mars, par dégazage progressif des matériaux en fusion dans la masse de la planète en cours de différenciation. En l'état actuel des connaissance, cette atmosphère devait être bien plus dense qu'aujourd'hui, essentiellement constituée de vapeur d'eau H ₂O ainsi que de dioxyde de carbone CO ₂, d' azote N ₂, de dioxyde de soufre SO ₂, et peut-être d'assez grandes quantités de méthane CH ₄.

Au début de son existence, Mars a certainement dû perdre, plus rapidement que la Terre, une fraction importante de la chaleur issue de l'énergie cinétique des planétésimaux qui se sont écrasés les uns sur les autres pour conduire à sa formation : sa masse est en effet 10 fois moindre que celle de la Terre, alors que sa surface est seulement 3,5 fois plus réduite, ce qui signifie que le rapport surface/masse de la planète rouge est près de trois fois plus élevé que celui de notre planète. Une croûte a donc certainement dû se solidifier à sa surface en une centaine de millions d'années, et il est possible que la dichotomie crustale observée aujourd'hui entre les hémisphères nord et sud remonte aux quelques centaines de millions d'années qui ont suivi la formation de la planète.

Une fois suffisamment refroidie, il y a environ 4,5 à 4,4 milliards d'années, la surface solide de la planète dut recevoir en pluie la vapeur d'eau atmosphérique condensée, qui réagit avec le fer contenu dans les minéraux chauffés pour l' oxyder en libérant de l' hydrogène H ₂, lequel, trop léger pour s'accumuler dans l'atmosphère, s'échappa dans l'espace. Ceci aurait conduit à une atmosphère primitive où ne subsistèrent plus que le , le et le comme constituants majoritaires de l'atmosphère martienne primitive, avec une pression atmosphérique totale alors plusieurs centaines de fois supérieure à ce qu'elle est aujourd'hui ; la pression standard actuelle au niveau de référence martien est, par définition, de 610 Pa.

Pendant l' époque géologique appelée qui prit fin il y a environ 3,7 à 3,5 milliards d'années, Mars semble avoir offert des conditions très différentes de celles d'aujourd'hui et assez similaires à celles de la Terre à cette époque, avec un champ magnétique global protégeant une atmosphère épaisse et peut-être tempérée permettant l'existence d'une hydrosphère centrée autour d'un océan boréal occupant l'actuelle étendue de Vastitas Borealis.

L'existence passée d'un champ magnétique global autour de Mars a été découverte à travers l'observation, réalisée dès 1998 par Mars Global Surveyor, d'un paléomagnétisme au-dessus des terrains les plus anciens de l'hémisphère sud, notamment dans la région de Terra Cimmeria et Terra Sirenum. La magnétosphère produite par ce champ magnétique global devait agir, comme la magnétosphère terrestre de nos jours, en protégeant l' atmosphère de Mars de l' érosion par le vent solaire, qui tend à éjecter dans l'espace les atomes de la haute atmosphère en leur transférant l'énergie nécessaire pour atteindre la vitesse de libération.

Un effet de serre aurait été à l'œuvre pour tempérer l'atmosphère martienne, qui sinon aurait été plus froide qu'aujourd'hui en raison du plus faible rayonnement émis par le Soleil, alors encore jeune et en voie de stabilisation. Les simulations montrent qu'une pression partielle de 150 kPa de CO ₂ aurait permis d'avoir une température moyenne au sol égale à celle d'aujourd'hui, soit 210 (un peu moins de −60 °C). Un renforcement de cet effet de serre au-delà de cette température aurait pu provenir de plusieurs facteurs complémentaires :

la condensation du CO₂ en nuages réfléchissants dans le domaine de l'infrarouge aurait contribué à renvoyer au sol le rayonnement thermique qu'il émet, de façon encore plus efficace que ne le font les nuages terrestres, constitués d'eau,

la présence en haute altitude de SO₂ très absorbant dans le domaine de l'ultraviolet aurait contribué à réchauffer la haute atmosphère, comme le fait la couche d'ozone sur Terre par un mécanisme similaire,

le rôle de l'eau et du méthane (le CH₄ engendre un effet de serre vingt fois plus puissant que celui du CO₂) n'est peut-être pas non plus à négliger.

Évolution proposée de l'hydrosphère martienne.

Nous savons que l' eau liquide était alors abondante sur Mars car l'étude minéralogique de la surface de la planète a révélé la présence significative de phyllosilicates dans les terrains remontant à cette époque,,. Or les phyllosilicates sont de bons indicateurs de l'altération de roches ignées en milieu humide. L'abondance de ces minéraux dans les sols antérieurs à environ 4,2 milliards d'années a conduit l'équipe de planétologues de l' ESA responsable de l'instrument OMEGA et dirigée par Jean-Pierre Bibring à proposer la dénomination de Phyllosien pour l' éon stratigraphique correspondant : c'est l'époque semble-t-il la plus humide qu'ait connu la planète Mars.

Des études plus fines réalisées in situ par les deux Mars Exploration Rovers, Spirit et Opportunity, respectivement dans le cratère Gusev, au sud d' Apollinaris Patera, et sur Meridiani Planum, suggèrent même l'existence passée d'une hydrosphère suffisamment importante pour avoir pu homogénéiser le taux de phosphore des minéraux analysés sur ces deux sites situés de part et d'autre de la planète. Une approche différente, fondée sur la cartographie de l'abondance du thorium, du potassium et du chlore à la surface de Mars par le spectromètre gamma (GRS) de la sonde Mars Odyssey, aboutit au même résultat.

Par ailleurs, l'étude détaillée des traces laissées dans le paysage martien par de supposés cours d'eau et étendues liquides a conduit à proposer l'existence d'un véritable océan couvrant près du tiers de la surface de la planète au niveau de l'actuel Vastitas Borealis. Dans un article de 1991 devenu classique, Baker et al. allaient jusqu'à identifier certaines structures aux traces d'un ancien rivage. Les lignes côtières ainsi identifiées se trouvaient de surcroît correspondre aux courbes d'altitude constante corrigées des déformations ultérieures déduites du volcanisme et d'estimations quant au changement d'axe de rotation de la planète. Ces projections, parfois assez hardies, n'ont cependant pas convaincu tout le monde, et d'autres théories ont également été proposées pour rendre compte de ces observations, notamment en se fondant sur la possible origine volcanique des structures ainsi interprétées.

L'idée d'un océan boréal au cœur d'une hydrosphère étendue demeure néanmoins toujours aussi séduisante, et de nombreuses équipes travaillent à analyser, avec des outils toujours plus performants, les données topographiques continuellement enrichies des informations recueillies par les sondes actuellement en fonctionnement autour de Mars, dans l'espoir d'établir la distribution géographique de l'hydrosphère martienne au Noachien.

Dans le même ordre d'idées, l'existence du lac Eridania au cœur des hautes terres de Terra Cimmeria a été suggérée pour expliquer notamment la genèse de Ma'adim Vallis à partir de l'observation de certaines formations topographiques interprétées comme d'anciens rivages fossilisés,.

Les conditions martiennes du Noachien auraient peut-être pu permettre l'émergence de formes de vie sur Mars comme cela s'est passé sur Terre : outre la présence d'eau liquide et l' effet de serre qui aurait pu maintenir une température suffisamment élevée, l'abondance des argiles permet d'envisager des scénarios d'apparition de la vie élaborés dans le cadre de certaines des (nombreuses) théories d' abiogenèse, tandis que d'autres théories (par exemple celle conçue à la fin du par Günter Wächtershäuser,,,) envisagent l'abiogenèse terrestre dans des sources hydrothermales riches en sulfure de fer(II) FeS, un environnement également susceptible d'avoir existé sur Mars au Noachien. Ces conditions seraient cependant rapidement devenues nettement moins favorables à l'éon suivant, l' Hespérien, qui aurait débuté au plus tard il y a 3,5 milliards d'années : dominé par la chimie du soufre, il s'est certainement traduit par un abaissement significatif du pH de l' eau martienne sous l'effet de pluies d' acide sulfurique H ₂SO ₄, qui auraient eu accessoirement pour conséquence de permettre l'existence d'eau liquide à des températures sensiblement inférieures à 0 °C.

Or les plus anciennes traces de " vie " détectées sur notre planète ne remontent pas au-delà de 3,85 milliards d'années pour la plus reculée de toutes les dates publiées (autour de la limite conventionnelle entre l' Hadéen et l' Archéen), soit 700 millions d'années après la formation de la Terre, c'est-à-dire presque autant que la durée totale du premier éon martien dans l'hypothèse la plus favorable, comme le rappelle la chronologie ci-dessous des éons terrestres comparée à l'échelle de Hartmann standard et à l' échelle de Hartmann & Neukum :

Dans ces conditions, si un processus d' abiogenèse avait pu aboutir sur Mars au Noachien, il aurait conduit à des formes de vie qui auraient eu très peu de temps pour évoluer avant les bouleversements de l' Hespérien, à une époque - autour de 4 à 3,8 milliards d'années avant le présent - marquée par les impacts d' astéroïdes du grand bombardement tardif.

À titre de comparaison, la photosynthèse ne serait pas apparue sur Terre avant 3 milliards d'années, voire seulement 2,8 milliards d'années,, tandis que les plus anciennes cellules eucaryotes ne remonteraient pas au-delà de 2,1 milliards d'années, et la reproduction sexuée ne daterait pas de plus de 1,2 milliard d'années.

Alors que le Phyllosien semble avoir été plutôt dépourvu d'activité volcanique, l'analyse détaillée des données recueillies par l'instrument OMEGA de Mars Express, conçu pour l'analyse minéralogique de la surface martienne, a conduit à identifier, à la fin de cet éon, une période de transition, s'étendant d'environ 4,2 à 4,0 milliards d'années avant le présent, marquée par l'apparition d'une activité volcanique significative alors que la planète connaissait vraisemblablement encore des conditions tempérées et humides sous une atmosphère plutôt épaisse.

De surcroît, l'exploration par des sondes de la surface des planètes telluriques - à commencer par la Lune - à la fin du a conduit à postuler un épisode dit de " grand bombardement tardif " (appelé Late Heavy Bombardment par les Anglo-saxons) s'étendant sur une période datée approximativement de 4,0 à 3,8 milliards d'années avant le présent, à plus ou moins 50 millions d'années près. C'est au cours de cet épisode que se seraient formés les grands bassins d'impact aujourd'hui visibles sur Mars, tels qu' Hellas, Argyre ou encore Utopia.

Survenu à la fois sur Terre et sur Mars, ce cataclysme serait peut-être également à l'origine de la différence de concentration en oxyde de fer (plus du simple au double) observée entre le manteau de la Terre et celui de Mars. Les impacts cosmiques auraient en effet liquéfié le manteau terrestre sur peut-être 1 200 à 2 000 km d'épaisseur, portant la température de ce matériau jusqu'à 3 200 °C, température suffisante pour réduire le FeO en fer et en oxygène. Le noyau terrestre aurait ainsi connu un apport supplémentaire en fer issu de la réduction du manteau à l'issue de ce bombardement météoritique, ce qui expliquerait la teneur pondérale résiduelle d'environ 8 % de FeO dans le manteau terrestre. Sur Mars, au contraire, la température du manteau fondu n'aurait jamais dépassé 2 200 °C, température insuffisante pour réduire l' oxyde de fer(II) et laissant donc inchangée la teneur en FeO du manteau martien à environ 18 %. Cela expliquerait pourquoi Mars est aujourd'hui extérieurement plus de deux fois plus riche en oxydes de fer que la Terre alors que ces deux planètes sont supposées avoir été originellement similaires.

À l'issue de ces impacts géants, les conditions à la surface de la planète ont vraisemblablement été sensiblement altérées. En premier lieu, Mars aurait perdu une fraction importante de son atmosphère, dispersée dans l'espace sous l'effet de ces collisions. Le climat général de la planète aurait été bouleversé par les poussières et les gaz injectés dans l'atmosphère lors de ces collisions, ainsi que par un possible changement d' obliquité lors de tels impacts. Mais il est également possible que l' énergie cinétique des impacteurs, en injectant de l'énergie thermique dans le manteau martien, ait modifié le gradient thermique dont on suppose qu'il entretient, dans le noyau planétaire, les mouvements de convection à l'origine de l' effet dynamo engendrant le champ magnétique global, ce qui aurait fait disparaître la magnétosphère martienne dès la fin du Noachien.

Les impacts à l'origine des grands bassins martiens ont peut-être initié le plus grand épisode volcanique de l'histoire de la planète, définissant l'époque qu'on appelle l' Hespérien. Celle-ci est caractérisée, d'un point de vue pétrologique, par l'abondance des minéraux contenant du soufre, et notamment de sulfates hydratés tels que la kiesérite MgSO ₄*H ₂O et le gypse CaSO ₄*2H ₂ O.

Les principales formations volcaniques martiennes seraient apparues à l'Hespérien, peut-être même, pour certaines, dès la fin du Noachien ; c'est notamment le cas des plaines de laves telles que Malea Planum, Hesperia Planum et Syrtis Major Planum. Alba Mons aurait peut-être également commencé son activité à ce moment, à la suite de l'impact à l'origine du bassin d' Hellas Planitia situé aux antipodes. Le renflement de Tharsis et les volcans d' Elysium Planitia, en revanche, remonteraient au milieu de l' Hespérien, aux alentours de 3,5 milliards d'années avant le présent, date qui correspondrait à la période d'activité volcanique maximum sur la planète rouge ; Alba Mons aurait ainsi connu sa plus grande activité dans la seconde moitié de l'Hespérien jusqu'au début de l' Amazonien.

Ce volcanisme aurait libéré dans l' atmosphère de Mars de grandes quantités de dioxyde de soufre SO ₂ qui, en réagissant avec l'eau dans les nuages, aurait formé du trioxyde de soufre SO ₃ donnant, en solution dans l'eau, de l' acide sulfurique H ₂SO ₄. Cette réaction aurait sans doute été favorisée sur Mars par la photolyse à haute altitude des molécules d' eau, sous l'action du rayonnement ultraviolet du Soleil, qui libère notamment des radicaux hydroxyle HO * et produit du peroxyde d'hydrogène H ₂O ₂, un oxydant. La comparaison avec l' atmosphère de Vénus, qui possède des nuages d' acide sulfurique dans une atmosphère de dioxyde de carbone, souligne également le rôle de la dissociation photochimique du dioxyde de carbone (CO ₂) par les ultraviolets de moins de 169 pour initier l' oxydation du dioxyde de soufre :

L'eau martienne aurait donc été chargée d'acide sulfurique à l' Hespérien, ce qui aurait à la fois pour conséquence d'abaisser sensiblement son point de congélation - l' eutectique du mélange H ₂SO ₄*2H ₂O - H ₂SO ₄*3H ₂O gèle ainsi un peu en dessous de −20 °C, et celui du mélange H ₂SO ₄*6,5H ₂O - H ₂O gèle autour de 210 , température légèrement inférieure à −60 °C, qui est la température moyenne actuelle sur Mars - et de conduire à la formation de sulfates plutôt que de carbonates. Ainsi s'expliquerait pourquoi, alors que Mars possédait a priori une atmosphère de CO ₂ et de grandes étendues d'eau liquide, on n'y trouve quasiment pas de carbonates, alors que les sulfates semblent, au contraire, particulièrement abondants, : la formations des carbonates est inhibée par l' acidité - que la présence de sulfates laisse supposer (la sidérite FeCO ₃, a priori le carbonate le moins soluble, ne précipite qu'à pH supérieur à 5) - et la libération continue de par l'activité volcanique à l' Hespérien aurait déplacé le des carbonates qui auraient pu s'être formés au Noachien pour les remplacer par des sulfates, comme cela se produit par exemple à pH faible avec le magnésium :

La chronostratigraphie minéralogique proposée par l'équipe de planétologues responsable de l'instrument OMEGA de la sonde Mars Express fait correspondre, à l'Hespérien, l' éon stratigraphique appelé " Theiikien ", terme forgé via l'anglais à partir du grec ancien τὸ θεΐον signifiant " soufre " - la racine exacte serait plutôt l'adjectif *θειικον dans le sens de " sulfurique ". Cet éon serait cependant daté de 4,0 à 3,6 milliards d'années avant le présent, c'est-à-dire avec un décalage de 300 à 400 millions d'années vers le passé par rapport à l' échelle de Hartmann & Neukum.

Une fois passé l'épisode volcanique majeur de l' Hespérien, Mars aurait progressivement vu son activité interne se réduire jusqu'à nos jours, où elle semble être devenue imperceptible, voire peut-être nulle. En effet, plusieurs épisodes volcaniques, d'intensité décroissante, auraient eu lieu au cours de l' Amazonien, notamment au niveau d' Olympus Mons, et certaines éruptions se seraient même produites il y a seulement 2 millions d'années, mais cette activité demeure épisodique et, en tout état de cause, insignifiante comparée par exemple au volcanisme existant actuellement sur Terre.

Parallèlement, l' atmosphère de Mars aurait subi une érosion continue depuis le début de l'Hespérien sous l'effet du vent solaire à la suite de la disparition de la magnétosphère, sans doute dès la fin du Noachien. Une telle érosion, même modérée, mais continue sur plusieurs milliards d'années, aurait sans difficulté dispersé dans l'espace l'essentiel de ce qu'il restait d'enveloppe gazeuse à la surface de Mars après le grand bombardement tardif. Il s'est ensuivi la disparition progressive de l' effet de serre dû au Dioxyde de carbone CO ₂ martien, d'où la baisse continue de la température et de la pression atmosphérique de la planète à partir de l'Hespérien et tout au long de l'Amazonien.

La présence d'eau liquide sur Mars a donc progressivement cessé d'être continue pour ne plus être qu'éparse et épisodique. Les conditions martiennes actuelles permettent en effet l'existence d'eau liquide dans les régions les plus basses de la planète dans la mesure où cette eau est chargée de chlorures et/ou d' acide sulfurique, ce qui semble précisément être le cas sur Mars compte tenu du résultat des analyses effectuées in situ par les sondes qui ont étudié chimiquement le sol de la planète rouge. Des précipitations significatives semblent également avoir eu lieu jusqu'au milieu de l'Amazonien, à en juger par les arêtes sinueuses identifiées par exemple à l'est d' Aeolis Mensae. Mais, au cours de l'Hespérien et de l'Amazonien, les conditions martiennes globales sont passées d'une atmosphère épaisse, humide et tempérée à une atmosphère ténue, aride et froide.

Ces conditions particulières, exposant, pendant des milliards d'années, les minéraux de la surface martienne à une atmosphère sèche chargée d' ions oxydants, ont favorisé l'oxydation anhydre du fer sous forme d' oxyde de fer(III) Fe ₂O ₃ (hématite) amorphe, à l'origine de la couleur rouille caractéristique de la planète. Cette oxydation demeure néanmoins limitée à la surface, les matériaux situés immédiatement en dessous étant la plupart du temps demeurés dans leur état antérieur, avec une couleur plus sombre. Cette prédominance des oxydes ferriques est à l'origine du terme sidérikien désignant l' éon stratigraphique correspondant, forgé par les planétologues responsables de l'instrument OMEGA de la sonde Mars Express à l' ESA, à partir du grec ancien ὁ σίδηρος signifiant " fer " - la racine exacte serait plutôt l'adjectif *σιδηρικος dans le sens de " ferrique " - et qui débuterait dès 3,6 milliards d'années avant le présent.

La transition entre Hespérien et Amazonien aurait été assez progressive, ce qui explique l'extrême variabilité des dates définissant la limite entre ces deux époques : 3,2 milliards d'années avant le présent selon l' échelle de Hartmann & Neukum, mais seulement 1,8 milliard d'années selon l'échelle standard de Hartmann.

Eau sur Mars

De l'abondance d'eau liquide du Noachien, il ne reste plus, aujourd'hui, que des traces dans l'atmosphère de Mars et, sans doute, d'importantes quantités d'eau gelée dans le sol et les calottes polaires de Mars, sous forme de pergélisol, voire de mollisol. En 2005, la sonde Mars Express a détecté, à proximité du pôle nord, un lac de glace d'eau dans un cratère. En 2007, le radar MARSIS de Mars Express a mis en évidence de grandes quantités de glace d'eau enfouies dans les terrains qui bordent la calotte résiduelle australe. Ainsi, le volume de glace d'eau contenue dans le pôle sud est estimé à 1,6 million de kilomètres cubes, soit approximativement le volume de glace d'eau de la calotte résiduelle boréale.

La présence d'eau dans le sous-sol a également été détectée à mi-distance entre l'équateur et le pôle nord. Ainsi, en 2009, la sonde Mars Reconnaissance Orbiter a révélé que des cratères d'impact récemment formés contenaient de la glace pure à 99 %.

La présence durable d'eau liquide à la surface de Mars est considérée comme improbable. En effet, compte tenu de la pression et de la température à la surface de Mars, l'eau ne peut exister à l'état liquide et passe directement de l'état solide à l'état gazeux par sublimation. Cependant, de récents éléments suggèreraient la présence temporaire d'eau liquide dans des conditions particulières. Expérimentalement, des écoulements d'eau et de saumure à basse pression ont été réalisés pour étudier leurs répercussions sur la surface,.

En 2004, l'équipe scientifique de THEMIS, l'instrument de Mars Odyssey prévu pour détecter la présence d'eau passée sur Mars, a découvert sur une des images de la sonde une " structure qui ressemble à un lac située au centre du cratère ".

De très brèves coulées pourraient encore avoir lieu. Ainsi, Michael Malin et Kenneth Edgett (et coauteurs), chercheurs de la Nasa, ont annoncé en avoir désormais la preuve d'écoulements granulaires épisodiques actifs. L'analyse d'images haute résolution MOC prises par la sonde Mars Global Surveyor a révélé la présence de nouvelles ravines (gullies ) dont la mise en place pourrait être liée à des écoulements de boue ou de débris,. Mais des analyses ultérieures ont montré que ces observations pouvaient tout aussi bien être expliquées par des écoulements secs. L'analyse de ces écoulements avec les données HiRISE montrent qu'ils sont saisonniers et qu'ils se produisent à la fin de l'hiver ainsi qu'au début du printemps.

Au niveau du bassin d'impact d'Hellas Planitia, la différence d'altitude entre le rebord et le fond est d'environ 9 km. La profondeur du cratère (7 152 mètres sous le niveau topographique de référence) explique la pression atmosphérique en contrebas : 1 155 Pa (soit 11,55 mbar ou encore 0,01 atm). C'est 89 % plus élevé que la pression au niveau zéro (610 Pa, soit 6,1 mbar) et au-dessus du point triple de l'eau, suggérant que la phase liquide serait éphémère (évaporation à mesure de la fusion de la glace) si la température dépasse 273,16 K (0,01 °C) dans le cas de l'eau pure. Une température inférieure serait néanmoins suffisante pour de l'eau salée, ce qui serait justement le cas de l'eau martienne - de l'eau liquide existe sur Terre jusqu'à des températures très basses, par exemple dans le très salé lac Don Juan, en Antarctique, et certaines saumures demeurent liquides à des températures encore plus basses, de même que certaines solutions d'acide sulfurique.

Traces d'écoulements observées par l'instrument HiRISE de la sonde MRO le par 41,6° S et 202,3° E sur les bords du cratère Newton.

Des traces saisonnières d'écoulements ont également été identifiées au printemps 2011 par l'instrument HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter en plusieurs points de la surface martienne sous forme de traces sombres qui s'allongent et s'élargissent sur des pentes exposées au soleil, notamment sur les bords du cratère Newton. Ces formations assez sombres, larges de 0,5 à 5 mètres, se forment préférentiellement face à l'équateur sur des pentes inclinées de 25° à 40° entre 48° S et 32° S, avec une longueur maximale à la fin de l'été et au début de l'automne local, alors que la température de surface se situe entre 250 et 300 K.

Les variations d'éclat, la distribution en latitude et la saisonnalité de ces manifestations suggèrent qu'elles soient provoquées par une substance volatile, mais celle-ci n'a pas été directement détectée. Elles se trouvent en des points trop chauds de la surface martienne pour qu'il puisse s'agir de dioxyde de carbone gelé, et généralement trop froids pour qu'il puisse également s'agir d'eau pure gelée. Ces observations plaident donc également en faveur de saumures, qui semblent se former ponctuellement de temps en temps à la surface de la planète,. Le la NASA annonce que des analyses des images en provenance de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter confirmeraient la présence de liquide sur Mars sous forme de sels hydratés,.

En , à la suite de l'exploration menée par le robot Curiosity , la NASA annonce qu'un grand lac aurait rempli le cratère Gale alimenté par des rivières pendant des millions d'années,.

Une étude publiée en a montré que les écoulements seraient finalement secs. En effet, les quantités d'eau nécessaires pour expliquer ces sources d'eau chaque année ne sont pas suffisantes dans l'atmosphère. La source souterraine est aussi très improbable car les écoulements sombres ( Recurring Slope Lineae , RSL) se forment parfois sur des sommets. La nouvelle hypothèse propose l'effet de pompe de Knudsen comme déclencheur des écoulements, qui seraient donc totalement secs.

Le , la sonde spatiale Mars Express lancée par l' Agence spatiale européenne détecte au niveau de la calotte polaire australe la présence d'un lac souterrain d'eau liquide de 20 km de large, à 1,5 km sous la surface de Mars. Bien qu'à une température inférieure au point de congélation de l'eau pure, ce lac serait liquide en raison de sa forte concentration en sels et minéraux martiens.

Satellites naturels

Cratère Stickney, de 9 km de diamètre, vu par l'instrument HiRISE de Mars Reconnaissance Orbiter à 6 000 km de Phobos le , le cratère Limtoc étant visible à l'intérieur et les sillons parallèles au premier plan ; agrandissement de l'image ci-dessous.

Mars possède deux petits satellites naturels, Phobos et Déimos, ressemblant à des astéroïdes de type chondrite carbonée ou de type D, dont l'origine demeure incertaine avec plusieurs hypothèses soulevées :

Il pourrait s'agir d'astéroïdes incidents capturés par Mars, mais la difficulté de ce scénario est d'expliquer comment, dans ce cas, ces deux satellites ont pu acquérir leurs orbites actuelles, circulaires et peu inclinées - à peine 1° - par rapport à l'équateur martien : ceci impliquerait des mécanismes de freinage atmosphérique et de régularisation par effets de marée, scénarios qui présentent des difficultés par rapport à l'insuffisance de l'atmosphère de Mars pour réaliser un tel freinage dans le cas de Phobos, et à l'insuffisance du temps requis pour circulariser l'orbite de Déimos. Néanmoins, ce mécanisme de capture aurait pu être grandement facilité dans le cas d'astéroïdes doubles dont l'une des composantes aurait été éjectée tandis que l'autre se satellisait autour de la planète rouge.

Les deux satellites de Mars pourraient également s'être formés en même temps que leur planète mère, la difficulté étant dans ce cas d'expliquer la différence de composition entre Mars d'une part et ses deux satellites d'autre part.

Enfin, une troisième hypothèse propose que Phobos et Deimos soient deux corps agglomérés à partir des résidus satellisés à la suite d'un ou plusieurs impacts majeurs de planétésimaux peu après la formation de Mars, scénario rejoignant l'hypothèse " Théia " expliquant la formation de la Lune par un mécanisme similaire intervenu sur la proto-Terre.

Le satellite Phobos de Mars vu le à 6 800 km de distance par l'instrument HiRISE de la sonde MRO. Les sillons sont bien visibles. La résolution de cette image permet d'y percevoir des détails de 20 m.

Phobos, le satellite naturel de Mars le plus proche de sa planète, est une masse irrégulière de 27 × 22 × 18 km qui orbite à moins de 6 000 km d'altitude, au point de n'être pas visible depuis les régions polaires de la surface martienne, au-delà de 70,4° de latitude nord ou sud, où il est masqué par la courbure de la planète. La sonde Mars Global Surveyor a révélé que sa surface, très cratérisée, est recouverte d'un régolithe épais d'une centaine de mètres provenant sans doute des myriades d'impacts survenus à la surface de cet objet. Sa masse volumique moyenne est moitié moindre que celle de Mars, à un peu moins de 1 890 kg/m ³, suggérant une nature poreuse résultant d'une structure en blocs agglomérés dont la cohésion globale serait assez faible. Il s'agirait d'un astéroïde de type D, c'est-à-dire constitué de matériaux où dominent les silicates anhydres avec une proportion notable de carbone, de composés organiques ainsi que, peut-être, de glace d'eau. Il aurait une composition proche d'une chondrite carbonée, expliquant son albédo d'à peine 0,071. La nature minéralogique de la surface examinée par le spectromètre infrarouge ISM de la sonde Phobos 2 semble correspondre à de l' olivine avec localement des concentrations d' orthopyroxène. La présence d'eau en surface du satellite a clairement été écartée par plusieurs études, mais ne demeure pas exclue en profondeur.

L'un des traits caractéristiques de Phobos est la présence de sillons parallèles d'au plus 30 m de profondeur, 200 m de large et 20 km de long, qui semblent envelopper le satellite radialement autour du cratère Stickney, et qui pourraient être les traces de débris projetés dans l'espace lors d' impacts sur Mars qui auraient été balayés en orbite par Phobos : les sillons semblent en réalité " s'écouler " sur la surface du satellite à partir de son point " avant " - dans le sens de sa révolution synchrone autour de Mars - davantage qu'à partir du cratère Stickney lui-même, situé à proximité du point avant. Ces sillons sont plus précisément des catenae, qui résultent de chaînes de cratères alignés.

Orbitant à l'intérieur de l' orbite synchrone de Mars, située à 17 000 km d'altitude, Phobos est ralenti par les forces de marée exercées par le globe martien, ce qui lui fait perdre de l'altitude à raison d'environ 18 cm par an : à cette vitesse, il atteindra sa limite de Roche dans environ 11 millions d'années et se désagrégera à environ 4 000 km d'altitude au-dessus de la surface martienne où il devrait progressivement former un anneau.

Vue de Déimos par l'instrument HiRISE de la sonde MRO le montrant des détails de 60 m.

Le second satellite de Mars, Déimos, est encore plus petit que le premier, avec des dimensions de 15 × 12,2 × 10,4 km. Il orbite à un peu plus de 23 000 km d'altitude, sur une orbite quasiment circulaire inclinée de moins d'un degré par rapport à l'équateur martien. Il semble être de même nature que Phobos - astéroïde de type D de composition proche d'une chondrite carbonée - mais sa surface, a priori tout aussi cratérisée que celle de Phobos, serait nettement plus adoucie par une couche de régolithe suffisamment épaisse pour combler la plupart des cratères. La masse volumique de ce régolithe a été estimée au radar à environ 1 100 kg/m ³, celle du satellite dans son ensemble étant de l'ordre de 1 470 kg/m ³.

Les vues prises par Mars Reconnaissance Orbiter ont montré une surface de couleur variable selon les régions, le régolithe ayant une teinte rouge sombre plus prononcée que les surfaces semble-t-il plus récentes, situées autour de certains cratères et sur le bord des arêtes. Les catenae formant les sillons caractéristiques de la surface de Phobos n'ont pas été observées sur Déimos.

Les deux satellites ont été découverts lors de l' opposition d' par Asaph Hall à l'aide d'un télescope de 26 pouces depuis l' observatoire naval des États-Unis de Washington,.

Ils ont été originellement nommés Phobus et Deimus d'après une suggestion d'Henry Madan professeur au collège d'Eton d'après la ligne 119 du chant XV de l'Iliade :

" Il parla ainsi, et il ordonna à la Terreur et à la Crainte d'atteler ses chevaux, et il se couvrit de son armure splendide. "

Dans la mythologie grecque, Phobos et Déimos sont les fils du dieu Arès, en grec ancien Φόϐος / Phóbos signifie " peur " et Δεῖμος / Deĩmos " terreur ". Cette dénomination est un jeu de mots sur la polysémie du mot satellite qui peut désigner à la fois un astre (les satellites de la planète) ou bien une personne, un garde du corps (les satellites du dieu).

Actuellement sont connus quatre troyens dans le sillage de Mars. Le premier, découvert en 1990, et le plus connu d'entre eux, est (5261) Eurêka, situé au point de Lagrange L ₅. Les trois autres sont 1998 VF31 (au point L ₄), 1999 UJ7 (au point L ₅), et 2007 NS2 (au point L ₅).

Mars possède aussi un astéroïde coorbital : (26677) 2001 EJ18.

Six autres astéroïdes sont également étroitement liés à Mars, mais ne semblent pas en être des troyens : 2001 FR127, 2001 FG24, 2001 DH47, 1999 ND43, 1998 QH56 et 1998 SD4.

est un astéroïde géocroiseur et aréocroiseur de 50 m de long découvert le par Andrea Boattini, du Catalina Sky Survey. Selon le Near Earth Object Program de la NASA, il avait une chance sur 10 000 (soit 0,01 %) d'impacter Mars le , impact qui ne s'est finalement pas produit.

Mars faisant partie des cinq planètes visibles à l'œil nu (avec Mercure, Vénus, Jupiter, et Saturne), elle est observée depuis que les hommes regardent le ciel nocturne. Lors de ses oppositions, elle est la planète la plus brillante après Vénus (sa magnitude apparente peut alors atteindre -2,9, le reste du temps, la deuxième planète la plus brillante est Jupiter).

La couleur rouge caractéristique de Mars lui valut dans l' Antiquité le rapprochement avec le dieu grec de la guerre puis avec son équivalent romain , le rouge évoquant le sang des champs de bataille.

Les Babyloniens la nommaient Nirgal ou , le dieu de la mort, des destructions et du feu.

Les Égyptiens la nommaient " Horus rouge " ( ḥr Dšr, Hor-desher) et connaissaient son " déplacement à reculons " (actuellement connu sous le nom de mouvement rétrograde).

Dans la mythologie hindoue, Mars est nommée (मंगल) du nom du dieu de la guerre. Dans le quadrangle de Memnonia, Mangala Valles est nommé en son honneur.

En hébreu, elle est nommée Ma'adim (מאדים) : " Celui qui rougit "). Ma'adim Vallis reprend ce vocable.

Mars est encore connue de nos jours sous le nom de " Planète rouge ".

Des observations de l' astronomie pré-télescopique, il reste peu de documents, et ceux-ci sont teintés de religion ou d'astrologie (comme le zodiaque de Dendérah en Haute-Égypte). De plus, les observations à l'œil nu ne permettent pas d'observer la planète elle-même mais plutôt sa trajectoire dans le ciel.

Description de Johannes Kepler des mouvements géocentriques de Mars, Astronomia nova (1609).

En 1600 à Prague, Johannes Kepler devient l'assistant de Tycho Brahe (mort en 1601) pour lequel il doit calculer l'orbite précise de Mars. Il met six ans à faire le calcul et découvre que les orbites des planètes sont des ellipses et non des cercles. C'est la première loi de Kepler qu'il publie en 1609 dans son ouvrage Astronomia nova.

La croyance en l'existence des canaux martiens dura de la fin du siècle au début du siècle et marqua l'imagination populaire, contribuant au mythe de l'existence d'une vie intelligente sur la quatrième planète du Système solaire. Leur observation, qui n'a jamais fait l'unanimité, provenait d'une illusion d'optique, phénomène fréquent dans les conditions d'observation de l'époque ( paréidolie).

Au siècle, l'utilisation de grands télescopes permit d'obtenir les cartes les plus précises avant l'envoi des sondes. À l' observatoire de Meudon, les observations d' Eugène Antoniadi en 1909 aboutirent à la publication de La planète Mars en 1930. À l' Observatoire du Pic du Midi, des observations furent effectuées par Bernard Lyot, Henri Camichel, Audouin Dollfus, et Jean-Henri Focas.

L'exploration de Mars se fait à l'aide de sondes spatiales, notamment de satellites artificiels et d' astromobiles, ou .

Elle tient une place importante dans les programmes d'exploration spatiale de la Russie (et avant elle par l' URSS), des États-Unis, de l' Union européenne, et du Japon, et commence à se matérialiser dans le programme spatial de la république populaire de Chine. Une quarantaine de sondes orbitales et d'atterrisseurs ont été lancés vers Mars depuis les années 1960.

N.B. : les dates ci-dessous sont celles du lancement et de la fin des missions ; la date intermédiaire est celle de l'insertion d'un satellite en orbite martienne () ou de l'atterrissage d'un atterrisseur ().

Sondes russes :

Mars 96

Phobos-Grunt était une mission portée par la Russie dont le lancement a eu lieu le mais sans pouvoir placer la sonde sur son orbite de transit vers Mars, de sorte que l'engin s'est écrasé sur Terre le dans le Pacifique sud. L'objectif était de rapporter des échantillons du sol de Phobos.

était une mission chinoise consistant en un petit module devant être placé en orbite martienne par le vaisseau russe Phobos-Grunt pour y étudier l'environnement immédiat de la planète rouge ; l'échec de la mission Phobos-Grunt entraîna celle de Yinghuo 1.

La sonde européenne ( - ). L'atterrissage semble s'être déroulé convenablement mais le contact avec la sonde a été perdu. En janvier 2015, elle a été retrouvée sur des photos de la surface de Mars prises par l'orbiteur Mars Reconnaissance Orbiter.

La sonde japonaise Nozomi (のぞみ) ( - ) demeurée depuis lors en orbite héliocentrique.

La sonde européenne Schiaparelli ( - ) perdue à cause d'une éjection prématurée du parachute lors de la descente atmosphérique, ayant donc débouché sur un crash.

Sondes américaines (simples survols) :

Mariner 6 ( - survol le )

Mariner 7 ( - survol le )

Satellites américains :

Mariner 4 .

Orbiteurs soviétiques :

Atterrisseurs soviétiques :

Programme Viking, avec atterrisseur et orbiteur :

Viking 1 ( - )

Viking 2 ( - )

atterrisseur et rover Mars Pathfinder ( - - )

atterrisseur Phoenix ( - - )

Mars Exploration Rover :

Spirit ( - - , date du dernier contact avec ce rover à présent enlisé.)

Opportunity ( - - , date du dernier contact)

Opportunity dans le cratère Endurance (vue simulée).

2001 Mars Odyssey ( - - Fin prévue ?)

Mars Express ( - - prolongée à de nombreuses reprises, arrêt prévue fin 2022)

Mars Reconnaissance Orbiter ( - - Fin prévue ?)

Mars Orbiter Mission ( - - est la fin prévue de la mission mais le satellite est toujours en activité en 2022.)

MAVEN ( - - fin prévue ?)

Trace Gas Orbiter ( - - fin prévue en 2022)

La mission martienne des Émirats (appelée aussi Hop)) est une sonde de l'agence spatiale émiratie qui décolle le . Hope consiste en un orbiteur équipé de trois instruments scientifiques destinés à l'étude de l'atmosphère de Mars. C'est la première sonde spatiale des EAU et la première sonde spatiale du monde arabe. Elle s'est placée en orbite autour de Mars le .

Mars Science Laboratory est une mission développée par la NASA et lancée le . Elle est équipée d'un rover nommé Curiosity nettement plus performant que Spirit et Opportunity en vue de rechercher des traces de vie passée à travers diverses analyses géologiques. Curiosity s'est posé dans la zone d'atterrissage Bradbury dans le cratère Gale, le .

InSight, embarque des instruments scientifiques européens (sismomètre, capteur de flux de chaleur et station météorologique). atterrissage réussi le à une latitude de 4,5°N et à la longitude de 135,9°E. La fin de mission est prévue pour 2020.

Mars 2020 est une mission de la NASA qui a décollé le avec à son bord l'astromobile (rover) Perseverance (sa construction est largement basée sur Curiosity, tout en comportant des instruments plus perfectionnés), ainsi qu'un mini hélicoptère (de type drone), le Mars Helicopter Scout Ingenuity. L'astromobile a atterri le dans le cratère Jezero.

Tianwen-1 est une sonde de l'agence spatiale chinoise (CNSA) qui décolle le . Elle comprend un orbiteur et un atterrisseur qui doit déposer une astromobile (rover) à la surface de la planète. Il s'agit de la première mission martienne menée de façon indépendante par la Chine. Elle s'est placée en orbite autour de Mars le , tandis que l'atterrisseur et le rover doivent se poser à sa surface en mai ou .

Le programme Constellation de la NASA proposait de renvoyer des hommes sur la lune d'ici 2020 pour préparer de futures missions habitées vers Mars. Jugé trop coûteux pour des options technologiques dépassées, ce programme initié par l'administration Bush, qui accusait déjà d'importants retards, a été abandonné le par l'administration Obama.

Les différentes missions martiennes ont mis en place des satellites artificiels autour de la planète. Ils servent de relais pour les télécommunications avec les modules posés au sol, et réalisent des mesures globales sur l'environnement et la surface de Mars.

Dix satellites artificiels orbitent actuellement autour de Mars, dont huit sont encore en fonctionnement, soit davantage d'engins que pour tout autre objet du Système solaire hormis la Terre.

Symbole astronomique de Mars.

Le symbole astronomique de Mars est un cercle portant une flèche pointant vers le nord-est ( Unicode 0x2642 ♂). En alchimie, ce symbole est associé au fer (dont l'oxyde est rouge) et indique parfois une mine de fer sur les cartes.

Mars mettant un peu moins de deux ans pour faire le tour du Soleil, son symbole a été utilisé par Carl von Linné afin de représenter les plantes bisannuelles dans son ouvrage Species plantarum.

Ce symbole est une représentation stylisée du bouclier et de la lance du dieu Mars. En biologie, le même symbole est utilisé comme signet pour le sexe mâle. Les hommes viennent de Mars, les femmes viennent de Vénus est un best-seller de John Gray paru en 1992.

La couleur rouge est associée à Mars. On lui associe aussi la violence, la colère, la guerre : tous les attributs habituels du dieu Mars.

L'hypothétique corrélation entre la position de la planète Mars par rapport à l'horizon au moment de la naissance et la destinée de certains sportifs est nommée effet Mars.

Sur les photos prises par , le , au cours de sa orbite, on distingue dans Cydonia Mensae des structures semblant artificielles dont un visage gigantesque et des pyramides. Cette légende est reprise dans le film de science-fiction américain , réalisé en 2000 par Brian De Palma.

" Mars, celui qui apporte la guerre " est le premier mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916.

Une chanson de l'auteur-compositeur-interprète britannique David Bowie, , parue en 1971, pose dans son refrain la question : " Is there life on Mars? " (" Y a-t-il de la vie sur Mars ? ")

Mission : Red Planet de Bruno Cathala et Bruno Faidutti (Asmodée, 2005)

Terraforming Mars de Jacob Fryxelius (FryxGames, 2016)

First Martians : Adventures on the Red Planet d'Ignacy Trzewiczek (Portal Games, 2017)

On Mars de Vital Lacerda (Eagle-Gryphon Games, 2019)

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46. Olivier Lascar, " Flash Météo ", Les dossiers de ↑ Science & vie Junior no 40, , 114 " Le Soleil tape dur, le sol s'échauffe. Le contraste de température avec les régions d'hiver plus au nord devient énorme. Ce qui, comme sur Terre, fait apparaître des vents violents. Ces furieux n'ont aucun mal à soulever de la poussière en pagaïe. ", p. 98.

47. Olivier Lascar, " Flash Météo ", Les dossiers de Science & vie Junior ↑ no 40, avril 2000, 114 p. " La planète rouge est une fois et demie plus éloignée du Soleil que la Terre. Chaque mètre carré de sa surface reçoit moins de la moitié de la chaleur dont nous bénéficions. " p. 96.

48. Olivier Lascar, " Flash Météo ", Les dossiers de Science & vie Junior ↑ no 40, avril 2000, 114p " Cette atmosphère, presque uniquement composée de dioxyde de carbone, est trop ténue pour emprisonner la chaleur de la journée et la redistribuer la nuit vers le sol. " p. 97.

49. ↑ (en) " Mars Fact Sheet ", .

50. ↑ (en) " Mars24 Sunclock - Time on Mars ", sur NASA (consulté le ).

51. ↑ (en) " Mars Express watches a dust storm engulf Mars

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Mars Mosaïque assemblée à partir d'images prises par l' orbiteur Viking 1 le .

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Jupiter

Jupiter est la plus grosse planète de notre Système solaire. Son atmosphère d’hélium et d’hydrogène contient de gros nuages colorés, et son immense magnétosphère, ses anneaux et satellites en font à elle seule un véritable système planétaire. Une des plus grosses lunes de Jupiter, Io, possède des volcans qui font de sa surface la plus chaude de tout le système solaire. Au moins quatre des satellites de Jupiter possèdent une atmosphère, et au moins trois sont susceptibles de contenir de l’eau à l’état liquide ou partiellement gelée. Il se peut qu’Europe, un autre satellite de Jupiter, possède tout un océan d’eau liquide sous sa croûte glacée !
La lune Callisto est très éloignée de Jupiter, et semble particulièrement âgée. Quant à Ganymède, c'est le plus gros des satellites joviens : il est plus grand que la planète Mercure !

Taille : 142984 km de diamètre
Masse : 1.90 × 10^27 kg (318 Terres)
Distance au soleil : 778,5 millions de km
Distance depuis la Terre : 600 Millions de km
Température : -161°C
1 jour jovien : 10 heures
1 année jovienne : 12 ans terrestres
Missions vers Jupiter : Galileo, Juno
Surface : Gaz d’hydrogène et d’hélium

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Jupiter

Jupiter vue par Voyager 2 en 1979
(image retraitée en 1990 pour souligner les formations telles que la Grande Tache rouge).

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

778 340 000 km
(5,202 89 au)

Aphélie

816 000 000 km
(5,454 6 au)

Périhélie

740 680 000 km
(4,951 1 au)

Circonférence orbitale

4 887 600 000 km
(32,671 6 au)

Période de révolution

4 332,01 d
(≈ 11,86 a)

Période synodique

398,822 d

Vitesse orbitale moyenne

13,058 5 km/s

Vitesse orbitale maximale

13,714 km/s

Vitesse orbitale minimale

12,448 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

1,304 °

Nœud ascendant

100,5 °

Argument du périhélie

274,255 °

Satellites connus
79

Anneaux connus

3 principaux.

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

71 492 km
(11,209 Terres)

Rayon polaire

66 864 km
(10,517 Terres)

Rayon moyen
volumétrique

69 911 km
(10,973 Terres)

Périmètre équatorial

449 197 km
(11,21 Terres)

Superficie

6,14×10 ¹⁰ km²
(120,5 Terres)

Volume

1,431 28×10 ¹⁵ km³
(1 321,3 Terres)

Masse

1,898 6×10 ²⁷ kg
(317,8 Terres)

Masse volumique globale

1 326 kg/m³

Gravité de surface

24,796 424 9 m/ s ²
(2,358 g)

Vitesse de libération

59,5 km/s

Période de rotation
(jour sidéral)

0,413 51 9 d
( h 55 min 27,3 s)

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

47 051 km/h

Irradiance solaire

50,50 W/ m²
(0,037 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

110,0 K (−163 °C)

* Température à 10 k Pa

112 K (−161 °C)

* Température à 100 k Pa

165 K (−108 °C)

Caractéristiques de l'atmosphère

Masse volumique
à 100 k Pa

0,16 kg/m³

Hauteur d'échelle

27 km

Masse molaire moyenne

2,22 g/mol

Histoire

Divinité babylonienne

Marduk

Divinité grecque

Ζεύς

Nom chinois
(élément associé)

Mùxīng 木星 (bois)

Jupiter est une planète géante gazeuse. Il s'agit de la plus grosse planète du Système solaire, plus volumineuse et massive que toutes les autres planètes réunies, et la cinquième planète par sa distance au Soleil (après Mercure, Vénus, la Terre et Mars).

Jupiter est ainsi officiellement nommée, en français comme en anglais, d'après le dieu romain Jupiter, assimilé au dieu grec Zeus.

Le symbole astronomique de la planète était " ♃ ", qui serait une représentation stylisée du foudre de Jupiter, ou bien serait dérivé d'un hiéroglyphe ou, comme cela ressortirait de certains papyrus d'Oxyrhynque, de la lettre grecque zêta, initiale du grec ancien Ζεύς (). L' Union astronomique internationale recommande de substituer au symbole astronomique " ♃ " l' abréviation " J ", correspondant à la lettre capitale J de l' alphabet latin, initiale de l'anglais .

Visible à l'œil nu dans le ciel nocturne, Jupiter est habituellement le quatrième objet le plus brillant de la voûte céleste, après le Soleil, la Lune et Vénus. Parfois, Mars apparaît plus lumineuse que Jupiter et, de temps en temps, Jupiter apparaît plus lumineuse que Vénus. Jupiter était au périhélie le et à l' aphélie le .

Comme sur les autres planètes gazeuses, des vents violents, de près de 600 km/h, parcourent les couches supérieures de la planète. La Grande Tache rouge est un anticyclone, une zone de surpression observée depuis au moins le siècle. Trois fois plus grande que la Terre au début du siècle, elle a rétréci pour devenir de taille comparable un siècle plus tard.

Regroupant Jupiter et les objets se trouvant dans sa sphère d'influence, le système jovien est une composante majeure du Système solaire externe. Il comprend notamment les nombreuses lunes de Jupiter dont les quatre lunes galiléennes - Io, Europe, Ganymède et Callisto - qui, observées pour la première fois en 1610 par Galilée au moyen d'une lunette astronomique de son invention, sont les premiers objets découverts par l' astronomie télescopique. Il comprend aussi les anneaux de Jupiter, un système d' anneaux planétaires observés pour la première fois, en 1979, par la sonde spatiale américaine .

L'influence de Jupiter s'étend, au-delà du système jovien, à de nombreux objets dont les astéroïdes troyens de Jupiter.

La masse jovienne est une unité utilisée pour exprimer la masse d' objets substellaires tels que les naines brunes.

Caractéristiques physiques

La haute atmosphère de Jupiter est composée à 93 % d' hydrogène et 7 % d' hélium en nombre d'atomes, ou à 86 % de dihydrogène et 13 % d'hélium en nombre de molécules. En masse, l'atmosphère est approximativement constituée de 75 % d'hydrogène et de 24 % d'hélium, le pourcentage restant étant apporté par divers autres éléments et composés chimiques (traces de méthane, de vapeur d'eau, d' ammoniac, très petites quantités de carbone, d' éthane, de sulfure d'hydrogène, de néon, d' oxygène, d' hydrure de phosphore et de soufre). La couche la plus externe de la haute atmosphère contient des cristaux d'ammoniac,.

Par mesures infrarouges et ultraviolettes, des traces de benzène et d'autres hydrocarbures ont également été détectées. L'intérieur de Jupiter contient des matériaux plus denses et la distribution par masse est de 71 % d'hydrogène, 24 % d'hélium et 5 % d'autres éléments.

Les proportions d'hydrogène et d'hélium dans la haute atmosphère sont proches de la composition théorique de la nébuleuse planétaire qui aurait donné naissance au Système solaire. Néanmoins, le néon n'y est détecté qu'à hauteur de vingt parties par million en termes de masse, un dixième de ce qu'on trouve dans le Soleil. L'hélium y est également en défaut, mais à un degré moindre. Cette absence pourrait résulter de la précipitation de ces éléments vers l'intérieur de la planète,,. Les gaz inertes lourds sont deux à trois fois plus abondants dans l'atmosphère de Jupiter que dans le Soleil.

Par spectroscopie, on pense que Saturne possède une composition similaire, mais qu' Uranus et Neptune sont constituées de beaucoup moins d'hydrogène et d'hélium. Cependant, aucune sonde n'ayant pénétré l'atmosphère de ces géantes gazeuses, les données d'abondance des éléments plus lourds ne sont pas connues.

Jupiter est 2,5 fois plus massive que toutes les autres planètes du Système solaire réunies, tellement massive que son barycentre avec le Soleil est situé à l'extérieur de ce dernier, à environ 1,068 rayon solaire du centre du Soleil. Par ailleurs, son diamètre est 11 fois plus grand que celui de la Terre (environ 143 000 km) et on pourrait placer environ 1 322 corps de la taille de cette dernière dans le volume occupé par la géante gazeuse[source insuffisante]. En revanche, la densité de Jupiter n'est que le quart de celle de la Terre (0,240 fois, précisément) : elle n'est donc que 318 fois plus massive que cette dernière,.

Cette masse a eu une grande influence gravitationnelle sur la formation du Système solaire : la plupart des planètes et des comètes de courte période sont situées près de Jupiter et les lacunes de Kirkwood de la ceinture d'astéroïdes lui sont dues en grande partie,.

Si Jupiter était plus massive, on pense que son diamètre serait plus petit. L'intérieur de la planète serait plus comprimé par une plus grande force gravitationnelle, décroissant sa taille. Par conséquent, Jupiter posséderait le diamètre maximal d'une planète de sa composition et de son histoire. La planète a parfois été décrite comme une " étoile ratée ", mais il faudrait qu'elle possède 13 fois sa masse actuelle pour démarrer la fusion du deutérium et être cataloguée comme une naine brune et 70 à 80 fois pour devenir une étoile. La plus petite naine rouge connue, à date de 2017, est 85 fois plus massive mais légèrement moins volumineuse que Jupiter (84 % de son rayon).

Des exoplanètes beaucoup plus massives que Jupiter ont été découvertes. Ces planètes pourraient être des géantes gazeuses semblables à Jupiter, mais pourraient appartenir à une autre classe de planètes, celle des Jupiter chauds, parce qu'elles sont très proches de leur étoile primaire.

Jupiter rayonne plus d' énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. La quantité de chaleur produite à l'intérieur de la planète est presque égale à celle reçue du Soleil. Le rayonnement additionnel est généré par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz, par contraction adiabatique. Ce processus conduit la planète à rétrécir de 2 cm chaque année. Lorsque Jupiter s'est formée, elle était nettement plus chaude et son diamètre était double.

Jupiter montre un renflement équatorial important : le diamètre au niveau de (142 984 km) est 6 % plus important que le diamètre au niveau des pôles (133 708 km). La plupart des planètes, y compris la Terre, possèdent ce genre d' aplatissement à des degrés divers, qui dépend de la vitesse de rotation de la planète, de sa composition interne plus ou moins solide et de la masse de son noyau. Plus un noyau est massif, moins le renflement est important, toutes choses étant égales par ailleurs.

Ainsi, il est possible d'en tirer des enseignements sur la structure interne de Jupiter. Les trajectoires des sondes Voyager 1 et 2 ont été analysées, le renflement provoquant des déviations spécifiques des trajectoires. La caractérisation précise du renflement, ainsi que les données connues concernant la masse et le volume de Jupiter, montrent que cette planète doit posséder un noyau dense et massif, de l'ordre de 12 masses terrestres.

Les connaissances sur la composition planétaire de Jupiter sont relativement spéculatives et ne reposent que sur des mesures indirectes. Selon l'un des modèles proposés, Jupiter ne posséderait aucune surface solide, la densité et la pression augmentant progressivement vers le centre de la planète. Selon une autre hypothèse, Jupiter pourrait être composée d'un noyau rocheux ( silicates et fer) comparativement petit (mais néanmoins de taille comparable à celle de la Terre, et de dix à quinze fois la masse de celle-ci),, entouré d' hydrogène en phase métallique qui occupe 78 % du rayon de la planète,. Cet état serait liquide, à la manière du mercure. Il est dénommé ainsi car la pression est telle que les atomes d' hydrogène s' ionisent, formant un matériau conducteur. Cet hydrogène métallique serait lui-même entouré d' hydrogène liquide, à son tour entouré d'une fine couche d' hydrogène gazeux. Ainsi, Jupiter serait en fait une planète essentiellement liquide.

Des expériences ayant montré que l'hydrogène ne change pas de phase brusquement (il se trouve bien au-delà du point critique), il n'y aurait pas de délimitation claire entre ces différentes phases, ni même de surface à proprement parler. Quelques centaines de kilomètres en dessous de la plus haute atmosphère, la pression provoquerait une condensation progressive de l'hydrogène sous forme d'un brouillard de plus en plus dense, qui formerait finalement une mer d'hydrogène liquide,,. Entre 14 000 et 60 000 km de profondeur, l'hydrogène liquide céderait la place à l'hydrogène métallique de façon similaire. Des gouttelettes de démixtion, plus riches en hélium et néon se précipiteraient vers le bas à travers ces couches, appauvrissant ainsi la haute atmosphère en ces éléments.

Les énormes pressions générées par Jupiter entraînent les températures élevées à l'intérieur de la planète, par un phénomène de compression gravitationnelle ( mécanisme de Kelvin-Helmholtz) qui se poursuit encore de nos jours, par une contraction résiduelle de la planète.

Des résultats de 1997 du Laboratoire national de Lawrence Livermore indiquent qu'à l'intérieur de Jupiter, la transition de phase à l'hydrogène métallique se fait à une pression de 140 GPa (1,4 Mbar) et une température de 3 000 . La température à la frontière du noyau serait de l'ordre de 15 000 et la pression à l'intérieur d'environ 3 000 à 4 500 GPa (30−45 Mbar), tandis que la température et la pression au centre de Jupiter seraient de l'ordre de 70 000 K et 70 Mbar, soit plus de dix fois plus chaudes que la surface du Soleil.

La faible inclinaison de l'axe de Jupiter fait que ses pôles reçoivent bien moins d'énergie du Soleil que sa région équatoriale. Ceci causerait d'énormes mouvements de convection à l'intérieur des couches liquides et serait ainsi responsable des forts mouvements des nuages dans son atmosphère.

L' atmosphère jovienne comporte trois couches de nuages distinctes :

La combinaison des nuages d'eau et de la chaleur provenant de l'intérieur de la planète est propice à la formation d' orages. La foudre engendrée est jusqu'à 1 000 fois plus puissante que celle observée sur la Terre.

L'atmosphère externe de Jupiter subit une rotation différentielle, remarquée pour la première fois par Giovanni Domenico Cassini en 1690, qui a aussi estimé sa période de rotation. La rotation de l'atmosphère polaire de Jupiter est d'environ 5 minutes plus longue que celle de l'atmosphère à la ligne équatoriale. De plus, des bancs de nuages circulent le long de certaines latitudes en direction opposée des vents dominants. Des vents d'une vitesse de 360 km/h y sont communs. Ce système éolien serait causé par la chaleur interne de la planète. Les interactions entre ces systèmes circulatoires créent des orages et des turbulences locales, telles la Grande Tache rouge, un large ovale de près de 12 000 km sur 25 000 km d'une grande stabilité, puisque déjà observé avec certitude depuis au moins 1831 et possiblement depuis 1665. D'autres taches plus petites ont été observées depuis le ,,.

La couche la plus externe de l'atmosphère de Jupiter contient des cristaux de glace d' ammoniac. Les couleurs observées dans les nuages proviendraient des éléments présents en quantité infime dans l'atmosphère, sans que les détails soient là non plus connus. Les zones de nuages varient d'année en année en termes de largeur, couleur et intensité, mais sont toutefois assez stables pour que les astronomes leur assignent des noms.

D'après une étude américaine de 2013, dirigée par Mona Delitsky du California Speciality Engineering et Kevin Baines de l' Université du Wisconsin à Madison, des diamants se formeraient dans l'atmosphère de Jupiter et de Saturne à partir du méthane atmosphérique. Cette étude rejoint toutes celles suggérant la production hypothétique de diamants dans les planètes gazeuses massives mais, leur observation étant absente, elles restent purement théoriques. En 2017 de nouvelles expériences simulant les conditions présumées régner 10 000 km sous la surface d'Uranus et de Neptune viennent conforter ce modèle en produisant des diamants de taille nanométrique. Ces température et pression extrêmes ne peuvent pas être maintenues plus d'une nanoseconde en laboratoire, mais elles sont atteintes dans les profondeurs de Neptune ou d'Uranus, où des nanodiamants pourraient se former.

Mouvement de l'atmosphère de Jupiter (depuis Voyager 1 , avec une image par jour jovien, entre le 6 janvier et le 3 février 1979).

Nuages dans l'hémisphère nord de Jupiter, photographiés par Juno en octobre 2017, à une altitude de 18 906 km.

La Grande Tache rouge est une tempête anticyclonique persistante située à 22° au sud de l'équateur de Jupiter. Son existence est connue depuis au moins 1831 et peut-être depuis 1665. Des modèles mathématiques suggèrent que la tempête est stable, et est une caractéristique permanente de la planète. Elle est suffisamment grande pour être visible au travers de télescopes depuis la Terre.

La Grande Tache rouge présente une forme ovale, de 24 à 40 000 km de long sur 12 000 km de large, suffisamment grande pour contenir deux ou trois planètes de la taille de la Terre. L'altitude maximale de la tempête est située à environ 8 km au-dessus du sommet des nuages environnants. Elle tourne sur elle-même dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, avec une période d'environ 6 jours ; les vents soufflent à plus de 400 km/h sur ses bords.

Des tempêtes de ce genre ne sont pas inhabituelles dans l'atmosphère des géantes gazeuses. Jupiter possède également des ovales blancs et bruns de plus petite taille. Les ovales blancs sont plutôt constitués de nuages relativement froids à l'intérieur de la haute atmosphère. Les ovales bruns sont plus chauds et situés à l'intérieur de la couche nuageuse habituelle. De telles tempêtes peuvent exister pendant des heures ou des siècles.

La Grande Tache rouge est entourée d'un ensemble complexe d'ondes de turbulence qui peuvent donner naissance à un ou plusieurs petits anticyclones satellites. Restant à une distance stable de l'équateur, elle possède une période de rotation propre, légèrement différente du reste de l'atmosphère avoisinante, parfois plus lente, d'autres fois plus rapide : depuis l'époque où elle est connue, elle a fait plusieurs fois le tour de Jupiter par rapport à son environnement proche.

En l'an 2000, une autre tache s'est formée dans l'hémisphère sud, similaire en apparence à la Grande Tache rouge, mais plus petite. Elle a été créée par la fusion de plusieurs tempêtes ovales blanches plus petites (observées pour la première fois en 1938). La tache résultante, nommée et surnommée Red Spot Junior (Petite Tache rouge en anglais, par rapport à la grande appelée Great Red Spot), a depuis accru son intensité et est passée du blanc au rouge,,.

Jupiter possède plusieurs anneaux planétaires, très fins, composés de particules de poussières continuellement arrachées aux lunes les plus proches de la planète lors de micro-impacts météoriques du fait de l'intense champ gravitationnel de la planète. Ces anneaux sont en fait tellement fins et sombres qu'ils ne furent découverts que lorsque la sonde s'approcha de la planète en 1979. Du plus près au plus lointain du centre de la planète, les anneaux sont regroupés en trois grandes sections :

le halo : entre 92 000 km et 122 500 km du centre de la planète ; le halo est un anneau en forme de tore, élargi par le champ magnétique de Jupiter ;

l'anneau principal : entre 122 500 km et 128 940 km du centre de Jupiter et épais de seulement 30 km ; il est probablement composé de poussières provenant des satellites Adrastée et Métis ;

l' : entre 128 940 km et 280 000 km du centre. Avant 181 350 km, il est constitué de poussières provenant d'Amalthée. Après, elles proviennent de Thébé. Cet anneau est très peu dense (gossamer signifie " gaze " en anglais), nettement plus épais que le précédent (plusieurs milliers de kilomètres) et s'évanouit progressivement dans le milieu interplanétaire.

Ces anneaux sont constitués de poussières et non de glace comme c'est le cas des anneaux de Saturne. Ils sont également extrêmement sombres, avec un albédo de l'ordre de 0,05.

Il existe également un anneau externe extrêmement ténu et distant qui tourne autour de Jupiter en sens rétrograde. Son origine est incertaine mais pourrait provenir de poussière interplanétaire capturée.

Jupiter possède un champ magnétique, 14 fois plus puissant que celui de la Terre, allant de 4,2 à l'équateur à 10 à 14 G aux pôles, ce qui en fait le plus intense du Système solaire (à l'exception des taches solaires). Les données transmises par la sonde font état d'un champ magnétique global de 7,776 , soit près de deux fois plus intense que le champ précédemment estimé. Il proviendrait des mouvements de la couche très conductive d' hydrogène métallique qui, par sa rotation rapide (Jupiter fait un tour sur elle-même en moins de dix heures), agit comme une immense dynamo. La magnétosphère de la planète correspond à la région où le champ magnétique de Jupiter est prépondérant sur toute autre force.

La magnétosphère possède une forme globale semblable à une goutte d'eau très distendue. La partie incurvée fait toujours face au Soleil et dévie le vent solaire, provoquant un arc de choc à environ 75 rayons de la planète (3 millions de km). À l'opposé de Jupiter et du Soleil, une immense magnéto-queue s'étend par-delà l'orbite de Saturne, sur une distance de 650 millions de km, soit presque la distance entre Jupiter et le Soleil. Vu de la Terre, la magnétosphère apparaît cinq fois plus grande que la pleine Lune, malgré la distance. La magnétosphère est entourée d'une magnétopause, située sur le bord interne d'une magnétogaine où le champ magnétique de la planète décroît et se désorganise. Les quatre lunes principales de Jupiter sont à l'intérieur de la magnétosphère et donc protégées des vents solaires.

La magnétosphère de Jupiter est à l'origine de deux structures spectaculaires : le tore de plasma de Io, et le tube de flux de Io. Le différentiel de vitesse entre le champ magnétique en rotation rapide de Jupiter (un tour en 10 heures environ) et la rotation plus lente de Io autour de Jupiter (un tour en 40 heures) arrache de l'atmosphère de Io (ainsi que d' Europe, dans une moindre mesure) environ une tonne d'ions de soufre et d'oxygène par seconde et accélère ces ions à grande vitesse, de sorte qu'ils effectuent également un tour de Jupiter en dix heures. Ces ions forment un gigantesque tore autour de Jupiter, dont le diamètre équivaut au diamètre de Jupiter elle-même. L'interaction du tore avec Io génère une différence de potentiel de 400 000 volts avec la surface de Jupiter, produisant un puissant courant de plusieurs millions d' ampères qui circule entre Io et les pôles de Jupiter, formant un tube de flux suivant les lignes de champ magnétique. Ce phénomène produit une puissance de l'ordre de 2,5 .

La situation d'Io, à l'intérieur d'une des plus intenses ceintures de rayonnement de Jupiter, a interdit un survol prolongé du satellite par la sonde Galileo qui a dû se contenter de 6 survols rapides de la lune galiléenne entre 1999 et 2002, en se gardant de pénétrer au sein du tore de particules englobant l'orbite du satellite, particules qui auraient été fatales au fonctionnement de la sonde,.

Des particules d' hydrogène de l' atmosphère jovienne sont également capturées dans la magnétosphère. Les électrons de la magnétosphère provoquent un intense rayonnement radio dans une large gamme de fréquence (de quelques kilohertz à 40 MHz). Lorsque la trajectoire de la Terre intercepte ce cône d'émissions radio, celles-ci dépassent les émissions radio en provenance du Soleil.

La magnétosphère jovienne permet la formation d'impressionnantes aurores polaires. Les lignes de champ magnétique entraînent des particules à très haute énergie vers les régions polaires de Jupiter. L'intensité du champ magnétique est 10 fois supérieure à celui de la Terre et en transporte 20 000 fois l'énergie.

La distance moyenne entre Jupiter et le Soleil est de 778 300 000 km (environ 5,2 fois la distance moyenne entre la Terre et le Soleil) et la planète boucle une orbite en 11,86 ans. L'orbite de Jupiter est inclinée de 1,31° par rapport à celle de la Terre. Du fait d'une excentricité de 0,048, la distance entre Jupiter et le Soleil varie de 75 000 000 km entre le périhélie et l' aphélie,.

La rotation de Jupiter est la plus rapide du Système solaire : la planète effectue une rotation sur son axe en un peu moins de ; cette rotation produit une accélération centrifuge à l'équateur, y conduisant à une accélération nette de 23,12 (la gravité de surface à l'équateur est de 24,79 ). La planète a ainsi une forme oblate, renflée à l'équateur et aplatie aux pôles, un effet facilement perceptible depuis la Terre à l'aide d'un télescope amateur. Le diamètre équatorial est 9 275 km plus long que le diamètre polaire.

Jupiter n'étant pas un corps solide, sa haute atmosphère subit un processus de rotation différentielle. La rotation de la haute atmosphère jovienne est environ 5 minutes plus longue aux pôles qu'à l'équateur. En conséquence, trois systèmes sont utilisés comme référentiel, particulièrement pour tracer les mouvements de caractéristiques atmosphériques. Le premier système concerne les latitudes entre 10° N et 10° S, le plus court, avec une période de . Le deuxième système s'applique aux latitudes au nord et au sud de cette bande, d'une période de . Le troisième système fut initialement défini par les radio-astronomes et correspond à la rotation de la magnétosphère de la planète : sa période est la période " officielle ", .

Jupiter possède 79 satellites naturels confirmés dont 50 nommés. Quatre sont de grands satellites, connus depuis plusieurs siècles et regroupés sous la dénomination de " lunes galiléennes " : Io, Europe, Ganymède et Callisto. Les autres satellites sont nettement plus petits et tous irréguliers ; 12 possèdent une taille encore significative (plus de 10 km de diamètre), 26 entre 3 et 10 km de diamètre et 24 autres entre 1 et 2 km de diamètre.

Les 16 satellites principaux ont été nommés d'après les conquêtes amoureuses de Zeus, l'équivalent grec du dieu romain Jupiter.

En 1610, Galilée découvrit les quatre plus importants satellites de Jupiter, les lunes galiléennes, qu'il nomma " planètes médicéennes " en l'honneur de ses protecteurs les princes de la famille Médicis. C'était la première observation de lunes autres que celle de la Terre. Ganymède, avec ses 5 262 km de diamètre, est le plus gros satellite du Système solaire. Callisto, 4 821 km de diamètre, est à peu de chose près aussi grand que Mercure. Io et Europe ont une taille similaire à celle de la Lune. Par comparaison, la plus grande lune de Jupiter est Amalthée, un satellite irrégulier dont la plus grande dimension n'atteint que 262 km. Trois de ces quatre satellites galiléens sont très rapprochés de Jupiter : Io, Europe et Ganymède.

Les orbites d'Io, Europe et Ganymède sont en résonance orbitale. Quand Ganymède tourne une fois autour de Jupiter, Europe tourne exactement deux fois et Io quatre fois. En conséquence, les orbites de ces lunes sont déformées elliptiquement, chacune d'elles recevant en chaque point de son orbite un petit plus gravitationnel de la part des deux autres.

Avant la mission Voyager, les lunes de Jupiter étaient parfaitement classées en quatre groupes de quatre, sur la base de leurs éléments orbitaux. Depuis lors, les découvertes de nouvelles lunes de petite taille sont venues contredire cette classification. On considère maintenant qu'il existe six groupes principaux, certains groupes étant plus particularisés que d'autres.

Une subdivision de base consiste à regrouper les huit satellites intérieurs, de tailles très diverses mais possédant des orbites circulaires très faiblement inclinées par rapport à l'équateur de Jupiter, et dont la recherche pense qu'ils se sont formés en même temps que la géante gazeuse. Cet ensemble peut être subdivisé en deux sous-groupes :

le groupe interne n'a été découvert que par la mission Voyager, à l'exception d'Amalthée. Tous ces satellites ont un diamètre de moins de 200 km et orbitent à moins de 200 000 km du centre de Jupiter, sur des orbites à peine inclinées, moins d'un demi-degré. Il s'agit du groupe d'Amalthée, lequel se compose de Métis, Adrastée, Amalthée et Thébé ;

les quatre satellites galiléens ont été découverts par Galilée en 1610. Ils sont parmi les plus grosses lunes du Système solaire. Ils orbitent entre 400 000 km et 2 000 000 km : Io, Europe, Ganymède et Callisto.

la petite lune Thémisto forme un groupe à elle seule ;

le groupe d'Himalia, découvert au siècle avant les sondes Voyager, comprend cinq lunes de 170 km de diamètre ou moins, orbitant entre 11 000 000 et 13 000 000 km sur des orbites inclinées de 26° à 29° : Léda, Himalia, Lysithéa, Élara et ;

la petite lune Carpo forme un autre groupe isolé, aux caractéristiques intermédiaires entre le groupe d'Himalia et celui de Pasiphaé ;

trois groupes externes, sur des orbites rétrogrades. Les plus gros satellites sont Ananké, Carmé, Pasiphaé et Sinopé, mais beaucoup de lunes minuscules ont été découvertes récemment dans cette zone. En , 48 représentants sont connus :

le groupe d'Ananké, aux limites indistinctes, orbitant vers 21 276 000 km suivant une inclinaison de 149°,

le groupe de Carmé, un groupe assez distinct situé vers 23 404 000 km avec une inclinaison de 165°,

le groupe de Pasiphaé, un groupe dispersé et assez lâche regroupant toutes les autres lunes. Il présente des satellites de 60 km de diamètre ou moins, orbitant entre 17 000 000 km et 30 000 000 km sur des orbites rétrogrades inclinées de 145° à 165°.

Interaction avec le Système solaire

Avec celle du Soleil, l'influence gravitationnelle de Jupiter a modelé le Système solaire. Les orbites de la plupart des planètes sont plus proches du plan orbital de Jupiter que du plan équatorial du Soleil ( Mercure est la seule qui fasse exception). Les lacunes de Kirkwood dans la ceinture d'astéroïdes sont probablement dues à Jupiter et il est possible que la planète soit responsable du grand bombardement tardif que les planètes internes ont connu à un moment de leur histoire.

La majorité des comètes de courte période possèdent un demi-grand axe plus petit que celui de Jupiter. On suppose que ces comètes se sont formées dans la ceinture de Kuiper au-delà de l'orbite de Neptune. Lors d'approches de Jupiter, leur orbite aurait été perturbée vers une période plus courte, puis rendue circulaire par interaction gravitationnelle régulière du Soleil et de Jupiter. Par ailleurs, Jupiter est la planète qui reçoit le plus fréquemment des impacts cométaires. C'est en grande partie dû à son puits gravitationnel, ce qui lui vaut le surnom " d'aspirateur du Système solaire ". L'idée répandue selon laquelle Jupiter "protège" de cette manière les autres planètes est cependant très discutable, dans la mesure où sa force gravitationnelle dévie aussi des objets vers les planètes qu'elle serait censée protéger.

En plus de ses lunes, le champ gravitationnel de Jupiter maintient un grand nombre d' astéroïdes situés aux alentours des points de LagrangeL₄ et L ₅ de l'orbite de Jupiter. Il s'agit de petits corps célestes qui ont la même orbite mais sont situés à 60° en avance ou en retard par rapport à Jupiter. Connus sous le nom d' astéroïdes troyens, le premier d'entre eux (588) Achille a été découvert en 1906 par Max Wolf ; depuis, des centaines d'autres troyens ont été découverts, le plus grand étant (624) Hector.

Jupiter est visible à l'œil nu la nuit et est connue depuis l'Antiquité. Pour les Babyloniens, elle représentait le dieu Marduk ; ils utilisèrent les douze années de l'orbite jovienne le long de l' écliptique pour définir le zodiaque. Les Romains nommèrent la planète d'après le dieu Jupiter, dérivé du " dieu-père " *dyeu ph₂ter de la religion proto-indo-européenne. Le symbole astronomique de Jupiter est une représentation stylisée d'un éclair du dieu. Les Grecs l'appelèrent Φαέθων, Phaethon, " ardent ".

Dans les cultures chinoises, coréennes, japonaises et vietnamiennes, Jupiter est appelée 木星 " l'étoile de bois ", dénomination basée sur les cinq éléments. Dans l' astrologie védique, les astrologues hindous font référence à Jupiter en tant que Bṛhaspati, ou " Gurû ", c'est-à-dire " le pesant ".

Le nom " jeudi " est étymologiquement le " jour de Jupiter ". En hindi, jeudi se dit गुरुवार () et possède le même sens. En anglais, Thursday fait référence au jour de Thor, lequel est associé à la planète Jupiter dans la mythologie nordique. En japonais, ceci se retrouve également : le jeudi se dit mokuyōbi en référence à l'étoile Jupiter, mokusei . La même similitude entre les langues occidentales et le japonais se retrouve entre toutes les planètes et les jours de la semaine. En effet, l'attribution des noms de jours de la semaine étant un ajout relativement récent à la langue japonaise, elle fut alors calquée sur les civilisations européennes.

En janvier 1610, Galilée découvre les quatre satellites qui portent son nom, en braquant sa lunette vers la planète. Cette observation des premiers corps tournant autour d'un autre corps que la Terre sera pour lui une indication de la validité de la théorie héliocentrique. Son soutien à cette théorie lui a valu les persécutions de l' Inquisition.

Pendant les années 1660, Cassini utilise un télescope pour découvrir des taches et des bandes de couleur sur Jupiter et observer que la planète semblait oblongue. Il fut également capable d'estimer la période de rotation de la planète. En 1690, il remarque que l'atmosphère subit une rotation différentielle.

La Grande Tache rouge a peut-être été observée en 1664 par Robert Hooke et en 1665 par Jean-Dominique Cassini, mais ceci est contesté. Heinrich Schwabe en produit le premier dessin détaillé connu en 1831. La trace de la tache est perdue à de nombreuses reprises entre 1665 et 1708 avant de redevenir flagrante en 1878. En 1883 et au début du siècle, il est estimé qu'elle s'estompait à nouveau.

Giovanni Borelli et Cassini ont réalisé des éphémérides des lunes galiléennes. La régularité de la rotation des quatre satellites galiléens sera utilisée fréquemment dans les siècles suivants, leurs éclipses par la planète elle-même permettant de déterminer l'heure à laquelle était effectuée l'observation. Cette technique sera utilisée un temps pour déterminer la longitude en mer. Dès les années 1670, on constate que ces évènements se produisaient avec 17 minutes de retard lorsque Jupiter se trouvait à l'opposé de la Terre par rapport au Soleil. Ole Christensen Rømer en déduit que l'observation n'était pas instantanée et effectua en 1676 une première estimation de la vitesse de la lumière.

En 1892, Edward Barnard découvre Amalthée, le cinquième satellite de Jupiter, à l'aide du télescope de l' observatoire Lick en Californie. La découverte de cet objet assez petit le rendit célèbre rapidement. Ensuite furent découverts : Himalia (1904), Élara (1905), Pasiphaé (1908), Sinopé (1914), Lysithéa et Carmé (1938), Ananké (1951). Pendant les années 1970, deux autres satellites furent observés à partir de la Terre : Léda (1974) et Thémisto (1975), qui fut ensuite perdu puis retrouvé en 2000 - les suivants le furent lors de la mission Voyager 1 en 1979, puis d'autres par la suite, pour arriver en 2014 à un total de 67 satellites.

Trois phénomènes anticycloniques, de forme ovale, furent observés en 1938. Pendant plusieurs décennies, ils restèrent distincts. Deux des ovales fusionnèrent en 1998 et absorbèrent le troisième en 2000. C'est le Oval BA.

En 1955, Bernard Burke et Kenneth Franklin détectent des accès de signaux radios en provenance de Jupiter à 22,2 MHz. La période de ces signaux correspondait à celle de la rotation de la planète et cette information permit d'affiner cette dernière. Les pics d'émission ont des durées qui peuvent être de quelques secondes ou de moins d'un centième de seconde.

Entre le 16 juillet et le , l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 sur Jupiter permet de recueillir de nombreuses nouvelles données sur la composition atmosphérique de la planète. Plus de 20 fragments de la comète sont entrés en collision avec l'hémisphère sud de Jupiter, fournissant la première observation directe d'une collision entre deux objets du Système solaire. L'évènement, qui constitue une première dans l'histoire de l'astronomie, a été suivi par des astronomes du monde entier,.

Le , les astronomes ont observé un nouvel impact sur le pôle sud, de la taille de l'océan Pacifique. Si l'impact n'a pu être suivi en direct, c'est l'astronome amateur australien Anthony Wesley qui, le premier, signala ces observations. La NASA émet l'hypothèse que la cause soit attribuée à une comète. En effet, les observations ont relevé la présence d'une tache avec une remontée de particules brillantes dans l'atmosphère supérieure, accompagnée d'un échauffement de la troposphère et d'émissions de molécules d'ammoniac. Autant d'indices corroborant un impact et non un phénomène météorologique interne à la planète,,.

Le , la NASA publie une vidéo très détaillée de la surface de la planète captée par le télescope spatial Hubble montrant la rotation de la planète et des détails extrêmement précis de sa surface. Les premières observations des scientifiques publiées dans The Astrophysical Journal et synthétisées par la NASA révèlent que la fameuse tache rouge de Jupiter va en se rétrécissant et qu'elle renferme une sorte de filament vaporeux qui en barre la surface et se déforme sous l'action de vents pouvant atteindre les 540 km/h.

À partir de 1973, plusieurs sondes spatiales ont effectué des manœuvres de survol qui les ont placées à portée d'observation de Jupiter. Les missions et obtinrent les premières images rapprochées de l'atmosphère de Jupiter et de plusieurs de ses lunes. Elles décrivirent que les champs électromagnétiques dans l'entourage de la planète étaient plus importants qu'attendus, mais les deux sondes y survécurent sans dommage. Les trajectoires des engins permirent d'affiner les estimations de masse du système jovien. Les occultations de leurs signaux radios par la planète géante conduisirent à de meilleures mesures du diamètre et de l'aplatissement polaire,.

Six ans plus tard, les missions améliorèrent les connaissances des lunes galiléennes et découvrirent les anneaux de Jupiter. Elles prirent les premières images détaillées de l'atmosphère et confirmèrent que la grande tache rouge était d'origine anticyclonique (une comparaison d'images indiqua que sa couleur avait changé depuis les missions Pioneer). Un tore d'atomes ionisés fut découvert le long de l'orbite de Io et des volcans furent observés à sa surface. Alors que les engins passèrent derrière la planète, ils observèrent des flashs lumineux dans l'atmosphère,.

En , la sonde Cassini, en route pour Saturne, survola Jupiter et prit des images en haute résolution de la planète. Le , elle prit une image de faible résolution d' Himalia, alors trop lointaine pour observer des détails de la surface.

La sonde New Horizons, en route pour Pluton, survola Jupiter pour une manœuvre d'assistance gravitationnelle. L'approche minimale s'effectua le . Le système jovien fut imagé à partir du ; les instruments de la sonde affinèrent les éléments orbitaux des lunes internes de Jupiter, particulièrement Amalthée. Les caméras de New Horizons photographièrent des dégagements de plasma par les volcans de Io et plus généralement des détails des lunes galiléennes,.

Jusqu'à l'arrivée de la sonde Juno le , la sonde Galileo était le seul engin à avoir orbité autour de Jupiter. Galileo entra en orbite autour de la planète le , pour une mission d'exploration de près de huit années. Elle survola à de nombreuses reprises les satellites galiléens et Amalthée, apportant des preuves à l'hypothèse d'océans liquides sous la surface d' Europe et confirmant le volcanisme d' Io. La sonde fut également témoin de l'impact de la comète Shoemaker-Levy 9 en 1994 lors de son approche de Jupiter. Cependant, bien que les informations récupérées par Galileo aient été nombreuses, l'échec du déploiement de son antenne radio à grand gain limita les capacités initialement prévues.

Galileo lâcha une petite sonde à l'intérieur de l'atmosphère jovienne pour en étudier la composition en . Cette sonde pénétra l'atmosphère le . Elle fut freinée par un parachute sur 150 km d'atmosphère, collectant des données pendant 57,6 minutes avant d'être écrasée par la pression (22 fois la pression habituelle sur Terre, à une température de 153 °C). Elle a fondu peu après, et s'est probablement vaporisée ensuite. Un destin que Galileo expérimenta de façon plus rapide le , lorsqu'elle fut délibérément projetée dans l'atmosphère jovienne à plus de 50 km/s, afin d'éviter toute possibilité d'écrasement ultérieur sur Europe.

La NASA a lancé en la sonde , qui s'est placée le en orbite polaire autour de Jupiter pour mener une étude détaillée de la planète. Elle poursuit cette étude depuis , et si elle survit aux rayonnements,,,, on prévoit qu'elle continuera à le faire jusqu'en 2021.

Projets abandonnés et missions futures

À cause de la possibilité d'un océan liquide sur Europe, les lunes glacées de Jupiter ont éveillé un grand intérêt. Une mission fut proposée par la NASA pour les étudier tout spécialement. Le JIMO ( Jupiter Icy Moons Orbiter) devait être lancé en 2015, mais la mission fut estimée trop ambitieuse et son financement fut annulé en 2005.

En , la mission JUICE ( JUpiter ICy moons Explorer) est retenue par l' ESA comme mission lourde dans le cadre du programme scientifique Cosmic Vision. Elle a pour but principal l'étude de trois des lunes galiléennes de Jupiter (Callisto, Europe et Ganymède) en les survolant puis en entrant en orbite autour de cette dernière. Le lancement est prévu pour 2022, pour une arrivée dans le système jovien en 2030, avant trois années d'observations. La mission devrait se concentrer sur la recherche de traces de vie.

À l'œil nu, Jupiter a l'aspect d'un astre blanc très brillant, puisque son albédo élevé lui confère un éclat de magnitude de −2,7 en moyenne à l' opposition, avec un maximum de −2,94. Son diamètre apparent varie de 29,8 à 50,1 secondes d'arc tandis que sa distance à la Terre varie de 968,1 à 588,5 millions de kilomètres. Le fait que sa lumière ne scintille pas indique qu'il s'agit d'une planète. Jupiter est plus brillant que toutes les étoiles et a un aspect similaire à celui de Vénus ; cependant celle-ci ne se voit que quelque temps avant le lever du Soleil ou quelque temps après son coucher et est l'astre le plus éclatant du ciel après le Soleil et la Lune.

La planète est souvent considérée comme intéressante à observer du fait qu'elle dévoile nombre de détails dans une petite lunette. Comme l'a fait Galilée en 1610, on peut découvrir quatre petits points blancs qui sont les satellites galiléens. Du fait qu'ils tournent tous assez vite autour de la planète, il est aisé de suivre leurs révolutions : on constate que, d'une nuit à l'autre, Io fait presque un tour complet. On peut les voir passer dans l'ombre de la planète puis réapparaître.

C'est en observant ce mouvement que Roëmer a montré que la lumière voyageait à une vitesse finie. On peut aussi observer la structure des couches gazeuses supérieures de la planète géante, visibles avec un télescope de 60 mm.

Un télescope de 25 cm permet d'observer la Grande Tache rouge (il est aussi possible de l'observer dans une petite lunette de 60 mm si les conditions de turbulence atmosphérique sont bonnes) et un télescope de 50 cm, bien que moins accessible pour les amateurs, permet d'en découvrir davantage de nuances.

Le meilleur moment pour observer Jupiter est quand elle est à l' opposition. Jupiter a atteint le périhélie en ; l'opposition de était donc favorable à son observation. Grâce à sa rapide rotation, toute la surface de Jupiter est observable en .

Un astéroïde (ou une comète) s'est écrasé sur la surface de la planète, en produisant un flash lumineux, qui a été repéré par Dan Petersen de Racine, dans le Wisconsin ( USA) et filmé par George Hall, de Dallas, à 11:35:30, temps universel, le .

C'est la sixième fois que l'on voit un objet s'écraser sur Jupiter, comme celui de la comète Shoemaker-Levy 9, en 1994.

Avec un simple récepteur radio d' ondes courtes dans la bande des 13 mètres, et avec comme antenne un fil électrique de 3,5 mètres ou, mieux encore, avec une antenne-dipôle horizontale de deux éléments de 3,5 mètres, il est simple d'intercepter le bruit radio-électromagnétique de la planète Jupiter en AM, sur la fréquence de 21,86 MHz, donnant le bruit de petites vagues rapides écoutées sur haut-parleur.

Notes et références

Sur les autres projets Wikimedia :

Guillaume Cannat, Didier Jamet, Jupiter et Saturne en direct, Eyrolles,

(en) F. Bagenal, T. E. Dowling et W. B. McKinnon (Eds.), Jupiter: The planet, satellites, and magnetosphere, Cambridge University Press,

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Jupiter Jupiter vue par Voyager 2 en 1979(image retraitée en 1990 pour souligner les formations telles que la Grande Tache rouge).

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Saturne, la rivale de Jupiter, possède un système d’anneaux bien plus complexe et un nombre équivalent de satellites. Titan, l’un des satellites de Saturne, possède l’atmosphère la plus épaisse de tous les autres satellites du système solaire. Une autre lune de Saturne, Encelade, possède des geysers d’eau liquide. Quant à Uranus et Neptune, elles possèdent peu d’hydrogène en proportion de Jupiter et Saturne ; Uranus, qui possède également des anneaux, a la particularité d’avoir une rotation à 98° sur le plan de son orbite.

Place dans le système solaire : 6e planète
Taille : 116464 km de diamètre (2e plus grosse planète, 750 fois la taille de la Terre)
Masse : 5,683 × 10^26 kg
Distance au soleil : 1,429 milliard de km
Distance maximale depuis la Terre : 1 658 millions de km
Température : -180°C
1 jour sur Saturne : 10,6 heures.
Une année saturnienne : 29,5 ans
Surface : Gaz d’hydrogène et d’hélium

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Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Saturne

Saturne vue par la sonde Cassini en 2008.

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

1 426 700 000 km
(9,536 7 au)

Aphélie

1 503 500 000 km
(10,05 au)

Périhélie

1 349 800 000 km
(9,023 au)

Circonférence orbitale

8 957 500 000 km
(59,877 au)

Période de révolution

10 754 d
(≈ 29.44 a)

Période synodique

378,039 d

Vitesse orbitale moyenne

9,640 7 km/s

Vitesse orbitale maximale

10,182 km/s

Vitesse orbitale minimale

9,141 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

2,486 °

Nœud ascendant

113,7 °

Argument du périhélie

338,94 °

Satellites connus

82 confirmés (parmi lesquels 53 ont été nommés) et environ 150 lunes mineures.

Anneaux connus

7 principaux, finement divisés.

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

60 268 km
(9,449 2 Terres)

Rayon polaire

54 359 km
(8,552 1 Terres)

Rayon moyen
volumétrique

58 232 km
(9,014 Terres)

Périmètre équatorial

378 675 km

Superficie

4,346 6 × 10 ¹⁰ km²
(83,703 Terres)

Volume

8,271 3 × 10 ¹⁴ km³
(763 Terres)

Masse

5,684 6 × 10 ²⁶ 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 33 min)

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

34 821 km/h

Irradiance solaire

14,90 W/m²
(0,011 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

81,1 K (−191,9 °C)

* 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

Histoire

Divinité babylonienne

Ninurta ( Ninib)

Divinité grecque

Κρόνος

Nom chinois
(élément associé)

Tǔxīng 土星 (terre)

10 Saturne est la sixième planète du Système solaire par ordre d'éloignement au Soleil, et la deuxième plus grande par la taille et la masse après Jupiter, qui est comme elle une planète géante gazeuse. Son rayon moyen de 58 232 km est environ neuf fois et demi celui de la Terre et sa masse de 568,46 × 10 ²⁴ kg est 95 fois plus grande. Orbitant en moyenne à environ 1,4 milliard de kilomètres du Soleil (9,5 unités astronomiques), sa période de révolution vaut un peu moins de 30 années tandis que sa période de rotation est estimée à h 33 min.

La caractéristique la plus célèbre de la planète est son système d'anneaux proéminent. Composés principalement de particules de glace et de poussières, ils sont observés pour la première fois en 1610 par Galilée et se seraient formés il y a moins de 100 millions d'années. Saturne est la planète possédant le plus grand nombre de satellites naturels avec 82 confirmés et des centaines de satellites mineurs dans son cortège. Sa plus grande lune, Titan, est la deuxième plus grande du Système solaire (derrière Ganymède, lune de Jupiter, toutes deux avec un diamètre plus grand que celui de Mercure) et c'est la seule lune connue à posséder une atmosphère substantielle. Une autre lune remarquable, Encelade, émet de puissants geysers de glace et serait un habitat potentiel pour la vie microbienne.

L'intérieur de Saturne est très probablement composé d'un noyau rocheux de silicates et de fer entouré de couches constituées en volume à 96 % d' hydrogène qui est successivement métallique puis liquide puis gazeux, mêlé à de l' hélium. Ainsi, elle ne possède pas de surface solide et est la planète ayant la densité moyenne la plus faible avec 0,69 g/cm ³ - soit 70 % de celle de l' eau. Un courant électrique dans la couche d'hydrogène métallique donne naissance à sa magnétosphère, la deuxième plus grande du Système solaire mais beaucoup plus petite que celle de Jupiter. L' atmosphère de Saturne est généralement terne et manque de contraste, bien que des caractéristiques de longue durée puissent apparaître comme un hexagone à son pôle nord. Les vents sur Saturne peuvent atteindre une vitesse de 1 800 km/h, soit les deuxièmes plus rapides du Système solaire après ceux de Neptune. Elle a été explorée par quatre sondes spatiales : Pioneer 11, Voyager 1 et 2 puis Cassini-Huygens (du nom de deux astronomes ayant grandement fait avancer les connaissances sur le système saturnien au XVII e siècle).

Observable à l' œil nu dans le ciel nocturne grâce à sa magnitude apparente moyenne de 0,46 - bien qu'ayant un éclat plus faible que celui des autres planètes -, elle est connue depuis la Préhistoire et a ainsi longtemps été la planète la plus éloignée du Soleil connue. Aussi, son observation a inspiré des mythes et elle porte le nom du dieu romain de l' agriculture Saturne ( Cronos dans la mythologie grecque), son symbole astronomique ♄ représentant la faucille du dieu.

Caractéristiques physiques

Masse et dimensions

Saturne a la forme d'un 1 ellipsoïde de révolution : la planète est aplatie aux pôles et renflée à l'équateur, conséquence de sa rapide rotation sur elle-même et d'une composition interne extrêmement fluide. Par convention, la surface de la planète est définie comme l'endroit où la pression atmosphérique est égale à bar (100 000 Pa) et est utilisée comme point de référence pour les altitudes,. Ses rayons équatoriaux et polaires diffèrent de près de 10 % avec 60 268 km contre 54 364 km, ce qui donne un rayon moyen volumétrique de 58 232 km - 9,5 fois plus grand que le rayon terrestre,. Cela revient un aplatissement de 0,098, le plus grand des planètes géantes - et des planètes du Système solaire en général.

Saturne est la deuxième planète la plus massive du Système solaire, d'une masse 3,3 fois moindre que Jupiter, mais 5,5 fois supérieure à celle de Neptune et 6,5 fois supérieure à celle d' Uranus. Jupiter et Saturne représentant respectivement 318 fois et 95 fois la masse terrestre, les deux planètes possèdent 92 % de la masse planétaire totale du Système solaire.

La gravité de la surface le long de l'équateur, 8,96 m/s², vaut 90 % de celle à la surface de l' équateur terrestre. Cependant, la vitesse de libération à l'équateur est de 35,5 km/s, soit environ trois fois plus que sur Terre.

Saturne est la planète la moins dense du Système solaire avec 0,69 g/cm³, soit environ 70 % de la densité de l'eau,. En effet, bien que le noyau de Saturne soit considérablement plus dense que l'eau, la densité moyenne est abaissée raison de son importante atmosphère. Pour illustrer cela, il est parfois évoqué que s'il existait un océan assez grand pour la contenir, elle flotterait,,. En réalité, il serait évidemment impossible d'avoir une planète avec un océan suffisamment profond - elle serait de l'ordre de grandeur du Soleil et ne serait ainsi pas stable - et la cohésion de Saturne ne serait pas maintenue car elle est gazeuse, son noyau très dense coulerait donc en conséquence,.

Structure interne

Saturne est classée comme une géante gazeuse car elle est principalement composée d' hydrogène et d' hélium. Ainsi, les modèles planétaires standards suggèrent que l'intérieur de Saturne est similaire à celui de Jupiter, avec un noyau rocheux entouré d'hydrogène et d'hélium ainsi que de traces de substances volatiles - aussi appelées "glaces",.

Le noyau rocheux serait d'une composition similaire à la Terre, constitué de silicates et de fer, mais plus dense. Il est estimé à partir du champ gravitationnel de la planète et des modèles géophysiques des planètes gazeuses que le noyau doit avoir une masse allant de 9 à 22 fois masses terrestres,, atteignant un diamètre d'environ 25 000 km. Celui-ci est entouré d'une couche d' hydrogène métallique liquide plus épaisse, suivie d'une couche liquide d' hydrogène moléculaire et d'hélium qui se transforme progressivement en gaz en fonction de la croissance de l'altitude,. La couche la plus externe s'étend sur 1 000 km et se compose de gaz. Aussi, la majeure partie de la masse de Saturne n'est pas en phase de gaz car l'hydrogène devient liquide lorsque la densité est supérieure à 0,01 g/cm³, cette frontière étant atteinte à la surface d'une sphère correspondant à 99,9 % de la masse de Saturne.

Saturne possède une température interne très élevée, atteignant 12 000 K (11 727 °C) en son cœur et irradiant, comme Jupiter, plus d'énergie dans l'espace qu'elle n'en reçoit du Soleil - 1,78 fois environ. L' énergie thermique de Jupiter est générée par le mécanisme de Kelvin-Helmholtz de compression gravitationnelle lente, mais un tel processus à lui seul n'est pas suffisant pour expliquer la production de chaleur de Saturne car elle est moins massive. Un mécanisme alternatif ou supplémentaire serait la génération de chaleur par la " pluie " de gouttelettes d'hélium dans les profondeurs de Saturne. Au fur et à mesure que les gouttelettes descendent à travers l'hydrogène de densité inférieure, le processus libérerait ainsi de la chaleur par frottement et laisserait les couches externes de Saturne appauvries en hélium. Ces gouttelettes descendantes peuvent s'être accumulées dans une coquille d'hélium entourant le noyau. Cette immiscibilité de l'hydrogène et de l'hélium, prévue théoriquement depuis les années 1970, a été vérifiée expérimentalement en 2021,. Il est également suggéré que des pluies de diamants se produisent à l'intérieur de Saturne, tout comme au sein de Jupiter et des géantes de glace Uranus et Neptune.

Cependant, étant donnée sa distance au Soleil, la température de Saturne descend rapidement jusqu'à atteindre 134 K (−139 °C) à 1 bar puis 84 K (−189 °C) à 0,1 bar, pour une température effective de 95 K (−178 °C) ,.

Atmosphère

Composition

La haute atmosphère de Saturne est constituée à 96,3 % d' hydrogène et à 3,25 % d' hélium en volume. Cette proportion d'hélium est significativement plus faible que l' abondance de cet élément dans le Soleil. La quantité d'éléments plus lourds que l'hélium (appelée métallicité) n'est pas connue avec précision, mais les proportions sont supposées correspondre aux abondances primordiales issues 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. Des traces de méthane CH ₄, d' éthane C ₂H ₆, d' ammoniac NH ₃, d' acétylène C ₂H ₂ et de phosphine PH ₃ ont également été détectées,,.

Le rayonnement ultraviolet du Soleil provoque une photolyse du méthane dans la haute atmosphère, conduisant à la production d' hydrocarbures, les produits résultants étant transportés vers le bas par les tourbillons de turbulence et par diffusion. Ce cycle photochimique est modulé par le cycle saisonnier de Saturne.

Couches de nuages

De manière similaire à Jupiter, l' atmosphère de Saturne est organisée en bandes parallèles, même si ces bandes sont moins contrastées et plus larges près de l'équateur. Ces bandes sont causées par la présence de méthane dans l'atmosphère planétaire, celles-ci étant plus d'autant plus foncées que la concentration est grande.

Le système nuageux de Saturne n'est observé pour la première fois que lors des missions Voyager dans les années 1980. Depuis, les télescopes terrestres ont progressé et permettent de pouvoir suivre l'évolution de l'atmosphère saturnienne. Ainsi, des caractéristiques courantes sur Jupiter, comme les orages ovales à longue durée de vie, sont retrouvées sur Saturne ; par ailleurs, la nomenclature utilisée pour décrire ces bandes est la même que sur Jupiter. En 1990, le télescope spatial Hubble observe un très grand nuage blanc près de l'équateur de Saturne qui n'était pas présent lors du passage des sondes Voyager, et en 1994 une autre tempête de taille plus modeste est observée,.

La composition des nuages de Saturne varie avec la profondeur et la pression croissante. Dans les régions les plus hautes, où les températures évoluent entre 100 K (−173 °C) et 160 K (−113 °C) et la pression entre 0,5 et 2 bars, les nuages se composent de cristaux d' ammoniac. Entre 2,5 et 9 bars se trouve de la glace d'eau H ₂O à des températures de 185 K (−88 °C) à 270 K (−3 °C). Ces nuages s'entremêlent à des nuages de glace d' hydrosulfure d'ammonium NH ₄SH comprise entre 3 et 6 bars, avec des températures de 190 K (−83 °C) à 235 K (−38 °C). Enfin, les couches inférieures, où les pressions sont comprises entre 10 et 20 bars et les températures de 270 K (−3 °C) à 330 K (57 °C), contiennent une région de gouttelettes d'eau avec de l' ammoniaque (ammoniac en solution aqueuse).

Dans les images transmises en 2007 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.

Tempêtes

Les vents de Saturne sont les deuxièmes plus rapides parmi les planètes du Système solaire, après ceux de Neptune. Les données de Voyager indiquent des vents d'est allant jusqu'à 500 m/s (1 800 km/h),.

La tempête observée en 1990 est un exemple de Grande tache blanche, un phénomène unique mais de courte durée se produisant une fois par année saturnienne, soit toutes les 30 années terrestres, à l'époque du solstice d'été de l'hémisphère nord,. De grandes taches blanches sont précédemment observées en 1876, 1903, 1933 et 1960. La dernière Grande tache blanche est observée par Cassini en 2010 et 2011. Lâchant de larges quantité d'eau de façon périodique, ces tempêtes indiquent que la basse atmosphère saturnienne contiendraient plus d'eau que celle de Jupiter.

Un système ondulatoire hexagonal persistant autour du vortex polaire nord vers une latitude d'environ +78° - appelé hexagone de Saturne - est noté pour la première fois grâce aux images de Voyager,. Les côtés de l'hexagone mesurent chacun environ 13 800 km de long, soit plus du diamètre de la Terre. La structure entière tourne avec une période d'un peu plus de , ce qui correspond à la période des émissions radio de la planète et est supposé être la période de rotation de l'intérieur de Saturne. Ce système ne se décale pas en longitude comme les autres structures nuageuses de l'atmosphère visible. L'origine du motif n'est pas certaine mais la plupart des scientifiques pensent qu'il s'agit d'un ensemble d' ondes stationnaires dans l'atmosphère. En effet, des formes polygonales similaires ont été reproduites en laboratoire par rotation différentielle de fluides,.

Au pôle sud, les images prises par le télescope spatial Hubble indiquent de 1997 à 2002 la présence d'un courant-jet, mais pas d'un vortex polaire ou d'un système hexagonal analogue. Cependant, la NASA signale en novembre 2006 que Cassini avait observé une tempête analogue à un cyclone, stationnant au pôle sud et possédant un œil clairement défini,. Il s'agit du seul œil jamais observé sur une autre planète que la Terre ; par exemple, les images de la sonde spatiale Galileo ne montrent pas d'œil dans la Grande Tache rouge de Jupiter. Aussi, la thermographie révèle que ce vortex polaire est chaud, le seul exemple connu d'un tel phénomène dans le Système solaire. Alors que la température effective sur Saturne est de 95 K (−178 °C), les températures sur le vortex atteignent jusqu'à 151 K (−122 °C), faisant de lui probablement le point le plus chaud de Saturne,. Celui-ci ferait près de près de 8 000 km de large, une taille comparable à celle de la Terre, et connaîtrait des vents de 550 km/h. Il pourrait être vieux de plusieurs milliards d'années.

De 2004 à 2009, la sonde Cassini observe la formation, le développement et la fin de violents orages, dont la tempête du Dragon ou encore des lacunes dans la structure nuageuse formant des " chaînes de perles ". Les orages de Saturne sont particulièrement longs ; par exemple, un orage s'est étalé de novembre 2007 à juillet 2008. De même, un très violent orage débute en janvier 2009 et dure plus de huit 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

Saturne possède un champ magnétique intrinsèque qui a une forme simple et se comporte comme un dipôle magnétique, presque aligné avec l'axe de rotation de la planète et dont le pôle nord magnétique correspond au pôle sud géographique,. Il est découvert en 1979 par la sonde Pioneer 11 lorsqu'elle mesure son intensité : sa force à l'équateur est d'environ 0,2 Gauss (20 µT), soit un vingtième du champ de Jupiter et légèrement plus faible que le champ magnétique terrestre,,. En conséquence, la magnétosphère de Saturne - cavité créée dans le vent solaire par le champ magnétique de la planète - est la deuxième plus grande du Système solaire mais reste beaucoup plus petite que celle de Jupiter. La magnétopause, frontière entre la magnétosphère de Saturne et le vent solaire, se trouve à seulement environ vingt fois le rayon de Saturne (soit 1 200 000 km) du centre de la planète, tandis que la queue magnétique s'étire derrière sur des centaines de fois le rayon saturnien.

Très probablement, le champ magnétique est généré de la même manière que celui de Jupiter avec des courants de convection dans la couche d' hydrogène métallique liquide créant un effet dynamo,. Cette magnétosphère est efficace pour détourner les particules du vent solaire. L'interaction de la magnétosphère de Saturne et des vents solaires, comme dans le cas de la Terre, produit des aurores boréales sur les pôles de la planète dans le domaine du visible, de l' infrarouge et de l' ultraviolet,.

La magnétosphère de Saturne est remplie de plasma originaire de la planète et de ses satellites naturels, notamment d' Encelade qui éjecte jusqu'à 600 kg/s de vapeur d'eau par ses geysers situés à son pôle sud ou de l' atmosphère de Titan dont les particules ionisées interagissent avec la magnétosphère. Par ailleurs, il se trouve à l'intérieur de la magnétosphère une ceinture de radiation, similaire à la ceinture de Van Allen pour la Terre, qui contient des particules d'énergie pouvant atteindre la dizaine de mégaélectronvolts,.

Formation

Le mécanisme de formation le plus communément adopté pour la formation des planètes est le modèle d'accrétion de cœur à partir du disque d'accrétion,. Les planètes géantes, comme Saturne, se forment au-delà de la ligne des glaces, zone au-delà de l'orbite de Mars où la matière est suffisamment froide pour que différents types de glaces restent à l'état solide. Elles grandissent jusqu'à devenir suffisamment massives pour pouvoir commencer à accumuler du gaz hélium- hydrogène provenant du disque, les éléments les plus légers mais aussi les plus abondants,. Ce phénomène s'emballant, il est estimé que Jupiter et Saturne auraient accumulé la majeure partie de leur masse en seulement 10 000 ans. La masse significativement plus réduite de Saturne par rapport à Jupiter s'expliquerait par le fait qu'elle se serait formée quelques millions d'années après Jupiter, alors qu'il y avait moins de gaz disponible dans son environnement.

Caractéristiques orbitales

Orbite

Le demi-grand axe de l'orbite de Saturne autour du Soleil est de 1,427 milliard de kilomètres (soit 9 unités astronomiques). Avec une vitesse orbitale moyenne de 9,68 km/s, sa période de révolution est d'environ 29 ans et demi (10 759 jours terrestres),. L' orbite elliptique de Saturne est inclinée de 2,48° par rapport au plan orbital de la Terre, l' écliptique. Les distances au périhélie et à l' aphélie sont respectivement de 9,195 et 9,957 UA, en moyenne, du fait de son excentricité orbitale de 0,054,.

Rotation

De façon similaire à Jupiter, les caractéristiques visibles sur Saturne tournent à des vitesses différentes en fonction de la latitude - une rotation différentielle - et ainsi ont toutes des périodes de rotation propres. Par convention, plusieurs systèmes sont définis, avec chacun leur période de rotation.

Le premier, ayant une période , correspond à la zone équatoriale s'étendant entre le bord nord de la ceinture équatoriale méridionale et le bord sud de la ceinture équatoriale boréale,. Les régions polaires nord et sud sont également rattachées au premier système.

Le deuxième concerne toutes les autres latitudes et possède quant à lui par convention une période de rotation de ,.

Finalement, un troisième système s'appuie sur la rotation des émissions radio de Saturne, notamment détectées par Voyager 1 et Voyager 2 car les ondes émises par Saturne sont à des fréquences basses bloquées par l' atmosphère terrestre, et a pour période de rotation . Cette valeur était alors considéré comme égale à la période de rotation interne de la planète, même si celle-ci restait inconnue. En approchant de Saturne en 2004, Cassini constate cependant que la période de rotation radio de Saturne avait augmenté sensiblement depuis les précédents survols, à environ sans que la cause exacte du changement ne soit connue,.

En mars 2007, il est ensuite observé que la variation de la période des émissions radio de la planète ne correspondait en réalité pas à la rotation de Saturne mais était causée par des mouvements de convection du disque de plasma entourant Saturne, lesquels sont indépendants de la rotation. Ceux-ci pourraient être la conséquence de la présence des geysers de la lune Encelade. En effet, la vapeur d'eau émise dans l'orbite de Saturne par cette activité se charge électriquement et induit une traînée sur le champ magnétique de Saturne, ralentissant légèrement sa rotation par rapport à celle de la planète,,.

En 2019, une étude avance que les variations saisonnières pourrait être une variable de confusion en ce qui concerne la mesure de la période de rotation,. En effet, contrairement à Jupiter dont la période de rotation est connue depuis longtemps grâce aux mesures radio et qui a une inclinaison de l'axe de 3°, Saturne a une inclinaison de 27° - soit plus que les 23° de la Terre - et connaît donc des saisons. Cette variation de l' énergie solaire reçue affecterait le plasma autour de Saturne et donc sa période de rotation en créant une traînée,. La même année, la NASA avance que la période de rotation de Saturne, d'après les dernières données captées par la sonde Cassini, est de . Cette valeur a été obtenue en observant des perturbations dans ses anneaux,. Cependant, en 2020, le NASA Fact Sheet de la planète indique toujours comme période de rotation la valeur du troisième système retournée par Voyager, à savoir 10,656 heures ou .

Cortège de Saturne

Lunes

En 2020, 82 satellites naturels de Saturne sont connus, 53 parmi eux étant nommés et les 29 autres ayant une désignation provisoire. En outre, il existe des preuves de dizaines à centaines de satellites mineurs avec des diamètres allant de 40 à 500 mètres présents dans les anneaux de Saturne, qui ne peuvent cependant pas être considérés comme des lunes. La plupart des lunes sont petites : 34 ont un diamètre inférieur à 10 km et 14 autres en ont un compris entre 10 et 50 km. Seules sept sont suffisamment massives pour avoir pu prendre une forme sphéroïdale sous leur propre gravité : Titan, Rhéa, Japet, Dioné, Téthys, Encelade et Mimas (par masse décroissante),. Avec Hypérion, qui pour sa part possède une forme irrégulière, ces huit lunes sont dites " majeures ".

Traditionnellement, les 24 satellites réguliers de Saturne - c'est-à-dire ceux ayant une orbite prograde, presque circulaire et peu inclinée - sont nommés d'après des Titans de la mythologie grecque ou des personnages associés au dieu Saturne. Les autres sont tous des satellites irréguliers ayant une orbite bien plus éloignée et fortement inclinée par rapport au plan équatorial de la planète - suggérant qu'il s'agit d'objets capturés par Saturne - ainsi qu'une taille inférieure à trente kilomètres, à l'exception de Phœbé et Siarnaq,. Ils sont quant à eux nommés d'après des géants des mythologies inuits, nordiques et celtes.

Titan est le plus grand satellite de Saturne, représentant environ 96 % de la masse en orbite autour de la planète, anneaux compris,. Découvert par Christian Huygens en 1655, il s'agit de la première lune observée. Il est le deuxième plus grand satellite naturel du Système solaire après Ganymède - son diamètre est plus grand que celui de Mercure ou de Pluton, par exemple -, et le seul doté d'une atmosphère majeure constituée principalement de diazote dans laquelle une chimie organique complexe se produit,,. C'est également le seul satellite avec des mers et lacs d'hydrocarbures.

Le satellite, principalement composé de roche et de glace d'eau, voit son climat modeler sa surface de façon similaire à ce qui se produit sur Terre, faisant qu'il est parfois comparé à une " Terre primitive " ,. En juin 2013, des scientifiques de l' Instituto de Astrofísica de Andalucía signalent la détection d' hydrocarbures aromatiques polycycliques dans la mésosphère de Titan, un possible précurseur de la vie,. Ainsi, il s'agit d'un possible hébergeur de vie extraterrestre microbienne et un possible océan souterrain pourrait servir d'environnement favorable à la vie,. En juin 2014, la NASA affirme avoir des preuves solides que l' azote dans l'atmosphère de Titan proviendrait de matériaux dans le nuage d'Oort, associés aux comètes, et non des matériaux qui ont formé Saturne.

La deuxième plus grande lune de Saturne, Rhéa, possède son propre système d'anneaux et une atmosphère ténue,. Japet, quant à elle, est remarquable par sa coloration - l'un de ses hémisphères étant particulièrement brillant tandis que l'autre est très sombre - et par sa longue crête équatoriale,. Avec, Dioné et Téthys, ces quatre lunes sont découvertes par Jean-Dominique Cassini entre 1671 et 1684.

William Herschel découvre ensuite Encelade et Mimas en 1789. La première, dont la composition chimique semble similaire aux comètes, est notable car elle émet de puissants geysers de gaz et de poussières et pourrait contenir de l' eau liquide sous son pôle Sud. Ainsi, elle est également considérée comme un habitat potentiel pour la vie microbienne,. La preuve de cette possibilité inclut par exemple des particules riches en sel ayant une composition " semblable à un océan " qui indique que la majeure partie de la glace expulsée d'Encelade provient de l'évaporation d'eau salée liquide,. Un survol de Cassini en 2015 à travers un panache sur Encelade relève la présence de la plupart des ingrédients nécessaires à soutenir des formes de vie pratiquant la méthanogenèse. Mimas, quant à elle, est responsable de la formation de la division de Cassini et son apparence - avec un cratère faisant le tiers de son diamètre - fait qu'elle est régulièrement comparée à l'Étoile de la mort de la saga Star Wars,.

En octobre 2019, une équipe d'astronomes du Carnegie Institution for Science observent 20 nouveaux satellites, ce qui fait de Saturne la planète du Système Solaire ayant le plus de satellites naturels connus avec 82 confirmés en devançant Jupiter et ses 79 lunes,.

Anneaux planétaires

Une des caractéristiques les plus connues de Saturne est son système d' anneaux planétaires qui la rend visuellement unique. Les anneaux forment un disque dont le diamètre est de près de 360 000 km - un peu moins que la distance Terre-Lune - avec les anneaux principaux - nommés A, B et C - s'étendant d'environ 75 000 à 137 000 km depuis l'équateur de la planète et ayant une épaisseur de seulement quelques dizaines de mètres,. Aussi, ils conservent toujours la même inclinaison que l'équateur de la planète. Ils sont principalement composés de glace d'eau (95 à 99 % de glace d'eau pure selon les analyses spectroscopiques), avec des traces d'impuretés de tholin et un revêtement de carbone amorphe. Bien qu'ils semblent continus vus depuis la Terre, ils sont en fait constitués d'innombrables particules dont la taille varie de quelques micromètres à une dizaine de mètres et ayant chacun une orbite et une vitesse orbitale différente. Si les autres planètes géantes - Jupiter, Uranus et Neptune - ont également des systèmes d'anneaux, celui de Saturne est le plus grand et le plus visible du Système solaire avec un albédo de 0,2 à 0,6, pouvant même être observé depuis la Terre à l'aide de jumelles,.

Ils sont aperçus pour la première fois le par le savant italien Galilée grâce à une lunette astronomique de sa fabrication,. Celui-ci interprète ce qu'il voit comme deux mystérieux appendices de part et d'autre de Saturne, disparaissant et réapparaissant au cours de l'orbite de la planète vu depuis la Terre,. Bénéficiant d'une meilleure lunette que Galilée, le hollandais Christian Huygens est le premier à suggérer en 1655 qu'il s'agit en fait d'un anneau entourant Saturne, expliquant ainsi les disparitions observées par le fait que la Terre passe dans le plan de celui-ci,. En 1675, Jean-Dominique Cassini découvre qu'il y en a réalité plusieurs anneaux en une division entre ceux-ci ; à ce titre la séparation observée, située entre les anneaux A et B, est baptisée " division de Cassini " en son honneur. Un siècle plus tard, James Clerk Maxwell démontre que les anneaux ne sont pas solides mais en réalité composés d'un très grand nombre de particules,.

Les anneaux sont nommés de façon alphabétique dans l'ordre de leur découverte. Ils sont relativement proches les uns des autres, espacés par " divisions " souvent étroites - à l'exception de la division de Cassini, d'une largeur de près de 5 milliers de kilomètres - où la densité de particule diminue grandement. Ces divisions sont causées pour la plupart par l' interaction gravitationnelle des lunes de Saturne, notamment des satellites bergers. Par exemple, Pan se situe dans la division d'Encke et Daphnis se situe dans la division de Keeler, qu'ils auraient respectivement créés par leurs effets - cela permettant par ailleurs de calculer précisément la masse de ces satellites. La division de Cassini, quant à elle, semble formée par l'attraction gravitationnelle de Mimas.

L'abondance en eau des anneaux varie radialement, l'anneau le plus externe A étant le plus pur en eau glacée ; cette variance d'abondance peut être expliquée par un bombardement de météorites. Les anneaux A, B et C sont les plus visibles - l'anneau B est le plus lumineux parmi eux - et ainsi considérés comme " principaux " ,. Les anneaux D, E, F et G, quant à eux, sont plus ténus et ont été découverts plus tardivement. Une partie de la glace dans l'anneau E provient des geysers de la lune Encelade,.

En 2009, un anneau beaucoup plus lointain est mis en évidence par le satellite Spitzer en infrarouge,. Ce nouvel anneau, appelé anneau de Phœbé, est très ténu et est aligné avec une des lunes de Saturne : Phœbé. Il est ainsi supposé que la lune en serait l'origine et partage son orbite rétrograde.

Nom

Rayon interne

Rayon externe

Largeur
(km)

Épaisseur
(m)

Nommé après

km

R S [N 3]

km

R S

Anneau G

170 000

2,82

175 000

2,90

5 000

1 × 10 ⁵

Anneau E

181 000

3

483 000

8

302 000

1 × 10 ⁷

Il n'existe pas de consensus quant au mécanisme de leur formation, mais deux hypothèses principales sont principalement proposées concernant l'origine des anneaux. Une hypothèse est que les anneaux sont les restes d'une lune détruite de Saturne et la deuxième est que les anneaux sont restés du matériau nébulaire originel à partir duquel Saturne s'est formée. Si ces modèles théoriques supposent que les anneaux seraient apparus tôt dans l' histoire du Système solaire, les données de la sonde Cassini indiquent cependant qu'ils pourraient s'être formés beaucoup plus tard et leur âge est ainsi estimé à environ 100 millions d'années en 2019,. De plus, ils pourraient disparaître d'ici 100 millions d'années,. À la suite de ces découvertes, le mécanisme privilégié pour expliquer l'apparition des anneaux est qu'une lune glacée ou une très grande comète aurait pénétré la limite de Roche de Saturne.

Autre entourage de Saturne

Un astéroïde troyen d'une planète est un astéroïde situé aux alentours d'un des deux points stables de Lagrange (L ₄ ou L ₅) du système Soleil-planète, c'est-à-dire qu'ils sont situés à 60° en avance ou en retard sur l'orbite de la planète. Cependant, Saturne ne possède aucun astéroïde troyen connu contrairement à la Terre, Mars, Jupiter, Uranus et Neptune. Il est supposé que des mécanismes de résonance orbitale, notamment la résonance séculaire, sont à l'origine de l'absence de troyen pour Saturne.

Observation

Si Uranus est visible à l' œil nu dans de très bonnes conditions - notamment lorsqu'elle est en opposition - et dans un ciel très sombre, Saturne est souvent considérée comme la planète la plus éloignée du Soleil et de la Terre visible à l'œil nu de façon générale,. Dans le ciel nocturne, la planète apparaît comme un point lumineux brillant et jaunâtre avec sa magnitude apparente moyenne de 0,46 - écart type de 0,34. La majeure partie de la variation de magnitude est due à l'inclinaison du système d'anneau par rapport au Soleil et à la Terre. En effet, la magnitude la plus brillante -0,55 se produit à peu près au moment où le plan des anneaux est le plus incliné, et la plus faible magnitude 1,17 se produit au moment où il l'est le moins,.

De plus, Saturne et ses anneaux sont mieux visibles lorsque la planète est proche de l' opposition, à un élongation de 180° par rapport au Soleil. Une opposition saturnienne se produit presque chaque année car la période synodique de Saturne est de 378 jours mais a un impact moindre que la position des anneaux sur sa visibilité. Par exemple, lors de l'opposition du , Saturne est apparue à son plus brillant en raison d'une orientation favorable de ses anneaux par rapport à la Terre, même si la planète était pourtant plus proche lors de l'opposition suivante fin 2003.

Afin de pouvoir obtenir une image nette des anneaux de Saturne, il est nécessaire d'utiliser des jumelles puissantes ou un petit télescope. Lorsque la Terre traverse le plan des anneaux, ce qui se produit deux fois par année saturnienne (environ tous les 15 ans terrestres), les anneaux disparaissent brièvement de la vue du fait de leur épaisseur de quelques centaines de mètres en moyenne. Une telle " disparition " se produira pour la prochaine fois en 2025, mais Saturne sera trop proche du Soleil pour pouvoir l'observer,. Par ailleurs, il est également possible d'observer des caractéristiques majeures à l'aide d'un télescope amateur, comme les grandes taches blanches qui apparaissent près du solstice d'été de l'hémisphère nord.

Il faut environ 29,5 ans à Saturne pour réaliser une orbite complète et terminer un circuit entier de l' écliptique devant les constellations de fond du zodiaque. De temps en temps, Saturne est occultée par la Lune - c'est-à-dire que la lune recouvre Saturne dans le ciel. Comme pour toutes les planètes du Système solaire, les occultations de Saturne se produisent en " saisons ". Les occultations saturniennes ont lieu tous les mois pendant environ 12 mois, suivis d'environ cinq ans pendant lesquels aucune activité de ce genre n'est enregistrée. L'orbite de la Lune étant inclinée de plusieurs degrés par rapport à celle de Saturne, les occultations ne se produiront que lorsque Saturne est près de l'un des points du ciel où les deux plans se croisent - à la fois la longueur de l'année de Saturne et la période de précession nodale de 18,6 années terrestres de l'orbite de la Lune influencent sur la périodicité -,.

Histoire des observations

Avant les télescopes

Saturne est connue depuis les temps préhistoriques et est au début de l' Histoire enregistrée comme un personnage majeur dans diverses mythologies,. Depuis l' Antiquité et avant la découverte d' Uranus en 1781, elle est la planète la plus éloignée du Soleil connue et marque ainsi la limite extrême du Système solaire dans l'esprit des astronomes,. Dans l' Égypte antique, elle symbolise la divinité Horus sous le nom de Hor-ka-pet (" taureau céleste "),, tandis que les sumériens l'appellent Lubat-saguš (" étoile du soleil "),. Les astronomes babyloniens observent et enregistrent systématiquement les mouvements de Saturne depuis au moins le IX e siècle av. J.-C., l'appelant Kajamanu,.

En grec ancien, la planète est connue sous le nom de Φαίνων " l'étoile de Phainon, puis à l'époque romaine comme Saturne ", le dieu de l' agriculture, dont la planète tire son nom moderne,. Les romains considèrent le dieu Saturne comme l'équivalent du Titan Cronos ; en grec moderne, la planète conserve d'ailleurs le nom de Kronos ( grec moderne : Κρόνος). Par ailleurs, le nom grec reste utilisé en forme adjectivale, notamment pour les astéroïdes kronocroiseur. L'astronome grec Claude Ptolémée fonde ses calculs de l'orbite de Saturne sur des observations qu'il réalise alors qu'elle est en opposition et suppose qu'elle est très froide en raison de son éloignement au Soleil, qu'il situe alors entre Vénus et Mars,.

Dans l' astrologie hindoue, Saturne est connue sous le nom de " Shani " et juge les hommes en fonction de leurs actions,. La culture chinoise et japonaise antique désigne Saturne comme "l'étoile de la terre" (土星) dans la cosmologie Wuxing des cinq éléments,,. En hébreu ancien, Saturne s'appelle "Shabbathai" et son ange est Cassiel,.

L'étoile des Rois mages, ou étoile de Bethléem, est parfois évoquée comme ayant été une nova, supernova ou encore la comète de Halley, ces hypothèses ayant finalement été mises de côté car aucun de ces phénomènes ne s'est déroulé durant le règne d' Hérode. Ainsi, l'explication actuelle est que l'intense lumière ait été produite par une conjonction entre Jupiter et Saturne au cours de l'année ,

Recherches au télescope à partir du XVII e siècle

En 1610, Galilée, après avoir découvert quatre lunes de Jupiter - les satellites galiléens - grâce à une lunette astronomique de sa conception, décide d'utiliser son nouvel instrument pour observer Saturne,. En le braquant sur la planète, il observe pour la première fois ses anneaux mais ne comprend pas leur nature à cause de la trop faible résolution de sa lunette ( grossissement de 20), : il les voit et les dessine comme deux très larges lunes entourant Saturne,. Dans une lettre, il décrit la planète comme " non pas une étoile simple, mais une composition de trois qui se touchent presque, ne bougeant jamais relativement les unes aux autres, et qui sont alignées le long du zodiaque, celle du milieu étant trois fois plus grande que les deux latérales " ,,.

En 1612, la Terre passant dans le plan des anneaux - ce qui arrive environ une fois tous les 15 ans -, ceux-ci disparaissent de sa vue : cela le surprend mais lui permet de comprendre que Saturne est en réalité un corps unique ; il est par ailleurs le premier de l'histoire à avoir observé cet événement astronomique. Il ne comprend toutefois pas l'origine de cette disparition, et écrit même, en référence à l'origine mythologique du nom de l'astre, que Saturne aurait " dévoré ses propres enfants " ,,. Puis, en 1613, ils réapparaissent sans que Galilée ne puisse émettre non plus une hypothèse quant à ce qu'il observe.

En 1616, il dessine à nouveau les anneaux, cette fois-ci comme des anses autour de la planète. Il écrit alors : " les deux compagnons ne sont plus de petits globes mais sont à présent bien plus grands et ne sont plus ronds... ils sont demi-ellipses avec de petits triangles noirs au milieu et de la figure et contigus au globe de Saturne, qui est lui toujours vu comme rond " ,,.

En 1655, Christian Huygens, disposant d'un télescope avec un grossissement de 50, découvre près de Saturne un astre qui sera nommé plus tard Titan. Par ailleurs, il postule pour la première fois que Saturne serait entourée d'un anneau solide, formé de " bras " ,. Trois ans plus tard, dans son livre Systema Saturnium, il explique le phénomène de disparition des anneaux observé auparavant par Galilée,,. En 1660, Jean Chapelain spécule que ces anneaux seraient composés d'un très grand nombre de petits satellites, ce qui passe inaperçu car la majorité des astronomes pensent alors que l'anneau est solide.

En 1671 et 1672, pendant un phénomène de disparition des anneaux, Jean Dominique Cassini découvre Japet puis Rhéa, les deux plus grandes lunes de Saturne après Titan. Plus tard, en 1675 et 1676, il détermine que l'anneau est composé de plusieurs anneaux, séparés par au moins une division, ; la plus large d'entre elles - et celle qu'il a probablement observée, séparant les anneaux A et B - sera plus tard nommée la division de Cassini d'après lui. Finalement, il découvre en 1684 deux nouvelles lunes : Téthys et Dioné,. Il nomme alors les quatre lunes découvertes Sidera Lodoicea (" les étoiles de Louis ") en l'honneur du roi de France Louis XIV ,.

Aucune autre découverte d'importance n'est faite pendant un siècle jusqu'aux travaux de 10 William Herschel - également découvreur de la planète Uranus. En 1780, il rapporte un trait noir sur l'anneau B, une division qui est probablement la même que celle observée par Johann Franz Encke en 1837 et qui prendra le nom de ce dernier en tant que division d'Encke. En 1789, lors d'une disparition des anneaux, il identifie deux autres lunes : Encelade et Mimas. Cette observation lui permet de plus de confirmer que la planète est aplatie aux pôles, ce qui était seulement suspecté auparavant, et de faire la première estimation de l'épaisseur des anneaux, à environ 500 kilomètres. Finalement, il détermine en 1790 la période de rotation des anneaux comme étant de h 32 min, une valeur très proche de la réalité. Pierre-Simon de Laplace, avec les lois de Kepler, fournit ensuite une première estimation de la distance de la planète au Soleil à 1,4 milliard de kilomètres. Aussi, à partir de sa taille apparente, il évalue le diamètre de la planète à 100 000 km et le diamètre des anneaux à 270 000 km.

En 1848, William Cranch Bond et son fils George Phillips Bond observent pour la première fois Hypérion, un satellite en résonance orbitale avec Titan, découverte également réalisée indépendamment deux jours plus tard par William Lassell - découvreur deux ans plus tôt de la plus grosse lune de Neptune, Triton. L'année suivante, Edouard Roche suggère que les anneaux se seraient formées quand un satellite aurait approché Saturne et qu'il se serait décomposé à cause des forces de marées ; un concept qui prendra ensuite le nom de limite de Roche.

Dans les années 1850, plusieurs observations sont faites à travers l' anneau C, tout juste découvert par le père et le fils Bond, mettant à mal la théorie d'anneaux solides. En 1859, James Clerk Maxwell publie son livre On the Stability of the Motion of Saturn's Rings dans lequel il avance que les anneaux sont en réalité composés d'un " nombre indéfini de particules non connectées ", toutes orbitant autour de Saturne indépendamment ; ces travaux lui vaudront le prix Adams. Cette théorie est prouvée correcte en 1895 par des études spectroscopiques menées par James Keeler et William Campbell à l' observatoire Lick, dans lesquelles ils observent que les parties internes des anneaux orbitent plus rapidement que les parties externes.

En 1872, Daniel Kirkwood parvient à définir que les divisions de Cassini et d'Encke sont en résonance avec les quatre lunes intérieures alors connues : Mimas, Encelade, Téthys et Dioné.

Lors de la deuxième partie du XIX e siècle, la photographie se développe et Saturne est alors une cible de choix : de nombreux astrophotographes allant de Warren de la Rue à John Rogers Commons en passant par les frères Paul-Pierre et Prosper-Mathieu Henry la prennent alors en image, le mérite de la première photographie réussie étant partagé entre Commons et les frères Henry,,.

En 1899, William Henry Pickering découvre Phoebé, un satellite irrégulier n'étant pas en rotation synchrone et ayant une orbite rétrograde. Il s'agit du premier de ce type trouvé et, par ailleurs, il s'agit de l'unique lune de Saturne découverte depuis une observation terrestre sans profiter d'une disparition des anneaux.

Au XX e siècle puis au XXI e siècle, la majorité des informations concernant la planète sont ensuite connues grâce aux différentes missions d' exploration spatiale. Les événements où la Terre croise le plan des anneaux restent cependant utilisés pour l'observation terrestre. Par exemple, en 1966, l' observatoire Allegheny photographie ce qui sera ensuite appelé l' anneau E et que les lunes Janus et Épiméthée sont découvertes ; puis, en 1979 et 1980, trois nouvelles autres le sont par des équipes distinctes : Télesto, Calypso et Hélène. Le télescope spatial Hubble suit également l'activité du système saturnien en continu, renvoyant parfois des images remarquables comme un quadruple transit observé en 2009,.

Exploration

Survols

Dans le dernier quart du XX e siècle, Saturne est visitée par trois sondes spatiales de la NASA qui réalisent un survol de celle-ci : Pioneer 11 en 1979, Voyager 1 en 1980 et Voyager 2 en 1981,.

Après avoir utilisé l' assistance gravitationnelle de Jupiter, Pioneer 11 effectue le premier survol de Saturne en septembre 1979 et passe à environ 21 000 km du sommet des nuages de la planète, se glissant entre l'anneau interne et les couches hautes de l'atmosphère,. La sonde prend des photographies en basse résolution de la planète et de quelques-uns de ses satellites, bien que leur résolution soit trop faible pour discerner des détails de leur surface. La sonde spatiale étudie également les anneaux de la planète, révélant le fin anneau F et confirmant l'existence de l' anneau E ; aussi, le fait que les divisions dans les anneaux sont montrées comme brillantes lorsque vues avec un angle de phase élevé par la sonde révèle la présence d'un matériau fin diffusant la lumière et qu'elles ne sont donc pas vides. De plus, Pioneer 11 fournit de nombreuses données sur la magnétosphère et l' atmosphère de Saturne ainsi que la première mesure de la température de Titan à 80 K (−193 °C) ,.

Un an plus tard, en novembre 1980, Voyager 1 visite à son tour le système saturnien. La sonde renvoie les premières images en haute résolution de la planète, de ses anneaux et de ses lunes, dont Dioné, Mimas et Rhéa. Voyager 1 effectue également un survol de Titan, accroissant les connaissances sur l' atmosphère de cette lune, notamment qu'elle est impénétrable dans les longueurs d'onde visibles - empêchant l'imagerie de détails de surface - et la présence de traces d' éthylène et d'autres hydrocarbures. Ce dernier survol a pour conséquence de profondément changer la trajectoire de la sonde et de l'éjecter hors du plan de l' écliptique,.

Près d'un an plus tard, en août 1981, Voyager 2 poursuit l'étude. Passant à 161 000 km du centre de la planète le , elle prend des gros plans des lunes et apporte des preuves d'évolution de l'atmosphère et des anneaux grâce à ses caméras plus sensibles que les sondes précédentes,. Malheureusement, pendant le survol, la plateforme de caméra orientable reste coincée pendant plusieurs jours, impliquant que certaines photographies ne peuvent pas être prises selon l'angle prévu et entraînant la perte d'une partie des données réalisées. L'assistance gravitationnelle de Saturne est finalement utilisée pour diriger la sonde vers Uranus puis vers Neptune, faisant de cette sonde la première et la seule à avoir visité ces deux planètes,.

Le programme Voyager permet de nombreuses découvertes comme celle de plusieurs nouveaux satellites orbitant près ou dans les anneaux de la planète, dont Atlas et les satellites bergers Prométhée et Pandore (les premiers jamais découverts), ou de trois nouvelles divisions dans les anneaux, ensuite respectivement appelées Maxwell, Huygens et Keeler,. Par ailleurs, l' anneau G est découvert et des " spokes " - des taches sombres - sont observées sur l' anneau B,.

Cassini-Huygens

Cassini-Huygens est une mission d' exploration du système saturnien de la NASA en collaboration avec l' Agence spatiale européenne et l' Agence spatiale italienne, intégrée au programme Flagship. Lancée le , la sonde spatiale est composée de l' orbiteur Cassini développé par la NASA et de l' atterrisseur Huygens développé par l'ESA - respectivement nommés d'après Jean-Dominique Cassini et Christian Huygens, deux scientifiques ayant grandement fait progresser les connaissances sur la planète au XVII e siècle. Elle se place en orbite autour de Saturne en juillet 2004, l'atterrisseur se posant sur Titan en janvier 2005 et l'orbiteur continuant son étude - après deux prolongations de mission en plus de la durée initialement prévue de quatre ans - jusqu'au où il se désintègre dans l'atmosphère de Saturne pour éviter tout risque de contamination des satellites naturels,.

Huygens collecte des informations et réalise un flot de photographies durant la descente et après son atterrissage. Malgré des problèmes de conception et la perte d'un canal de communication, l'atterrisseur parvient à se poser près d'un lac d'hydrocarbures pour y réaliser des mesures.

Cassini continue quant à lui d'orbiter autour de Saturne et poursuit l'étude scientifique de la magnétosphère et des anneaux de Saturne, en profitant de ses passages à faible distance des satellites pour collecter des données détaillées sur ceux-ci et obtenir des images de qualité du système saturnien.

En ce qui concerne les lunes de Saturne, Cassini permet d'affiner la connaissance de la surface de Titan - avec ses grands lacs d'hydrocarbures et ses nombreuses îles et montagnes - et sur la composition de son atmosphère, de découvrir les geysers d' Encelade faisant d'elle un endroit propice à l'apparition de la vie,, d'obtenir les premières images détaillées de Phœbé - qu'il survole en juin 2004 - et de découvrir six nouvelles lunes nommées, parmi lesquelles Méthone et Pollux par exemple.

L'orbiteur analyse en détail la structure des anneaux de Saturne, en photographiant même un nouveau auparavant inconnu situé à l'intérieur des anneaux E et G, et observe des formations étonnantes de l' atmosphère de la planète géante à ses pôles - comme l' hexagone de Saturne. Par ailleurs, les données collectées sur les anneaux de Saturne au cours des dernières orbites permettent d'estimer leur âge : ceux-ci seraient apparus il y a moins de 100 millions d'années et devraient disparaître d'ici 100 millions d'années.

En somme, la sonde spatiale Cassini réalise au cours de sa mission 293 orbites autour de Saturne et effectue 127 survols de Titan, 23 d'Encelade et 162 d'autres lunes de la planète dans des conditions ayant permis d'effectuer des investigations poussées. 653 gigaoctets de données scientifiques sont collectées et plus de 450 000 photographies sont prises. La mission Cassini-Huygens remplit tous ses objectifs scientifiques et est ainsi considérée comme un grand succès grâce aux nombreuses données de qualité produites.

Missions futures

L'exploration à l'aide d'une sonde spatiale d'une planète aussi lointaine que Saturne est très coûteuse en raison de la vitesse importante nécessaire à un engin spatial pour y parvenir, de la durée de la mission et de la nécessité de recourir à des sources d'énergie capables de compenser le rayonnement solaire plus faible comme des panneaux solaires de très grande taille ou un générateur thermoélectrique à radioisotope,.

En 2008, la NASA et l' Agence spatiale européenne étudient la mission Titan Saturn System Mission (TSSM), comprenant un orbiteur ainsi qu'un atterrisseur et une montgolfière destinés à étudier Titan, mais ce projet est abandonné l'année suivante,. Une mission moins coûteuse dans le cadre du programme Discovery est aussi envisagée, Titan Mare Explorer (2011), mais n'est finalement pas retenue.

Cependant, devant l'intérêt scientifique de Saturne et de ses lunes (notamment Titan et Encelade qui pourraient abriter la vie), des successeurs à Cassini-Huygens sont proposés dans le cadre du programme New Frontiers de la NASA,. Ainsi, en 2017, cinq missions sont en cours d'évaluation, : un engin spatial qui effectuerait un sondage en plongeant dans l'atmosphère de Saturne (SPRITE), deux missions qui analyseraient de manière précise les matériaux éjectés par les geysers d' Encelade en survolant cette lune à plusieurs reprises et détermineraient la présence éventuelle d'indices de formes de vie (ELSAH et ELF), et enfin deux missions destinées à étudier en profondeur Titan, la première en orbite (Oceanus) et la deuxième, plus audacieuse sur le plan technique, au moyen d'un drone effectuant des vols de plusieurs dizaines de kilomètres à la surface de la lune en exploitant sa faible gravité et la forte densité de son atmosphère (Dragonfly),. Finalement, seule la mission Dragonfly est sélectionnée en 2019 pour un départ prévu en 2026 et une arrivée sur Titan en 2034.

Dans la culture

Science-fiction

Saturne est présente dans de nombreuses œuvres de science-fiction et sa représentation a évolué en fonction des connaissances sur la planète. Parmi les premières œuvres touchant à la science-fiction évoquant Saturne se trouve notamment Micromégas (1752) de Voltaire. À l'époque, elle est la planète la plus éloignée du Soleil connue - Uranus sera ensuite découverte en 1781 et Neptune en 1846 - et sa structure gazeuse est inconnue. Ainsi, la planète est décrite comme solide et habitée par des géants de deux kilomètres de hauteur, ayant 72 sens et une espérance de vie de 15 000 ans ; le secrétaire de l'" Académie de Saturne " accompagne ensuite le personnage principal Micromégas sur Terre,. Un siècle plus tard, dans Hector Servadac (1877), Jules Verne fait passer les aventuriers près de Saturne en chevauchant une comète. L'auteur la décrit et la dessine alors comme rocheuse avec une surface solide déserte et possédant 8 satellites et 3 anneaux.

Après que la science moderne a révélé que la planète n'a pas de surface solide et que son atmosphère et sa température sont hostiles à la vie humaine, sa représentation évolue en conséquence. Aussi, ses anneaux planétaires et son vaste système de lunes deviennent un cadre plus courant pour la science-fiction, par exemple dans La Voie martienne (1952) d' Isaac Asimov ou dans La Zone du Dehors (2007) d' Alain Damasio. Des villes flottantes dans l'atmosphère de Saturne sont également envisagées, comme dans Accelerando (2005) de Charles Stross.

Au cinéma, elle est notamment représentée dans Beetlejuice (1988) de Tim Burton, où elle est peuplée de vers de sable gigantesques, ou sert de décor dans Interstellar (2014) de Christopher Nolan, la NASA ayant envoyé quatre astronautes près de la planète dans le but d'atteindre un trou de ver.

Musique

" Saturne, celui qui apporte la vieillesse " est le 5e mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916. Par ailleurs, Saturn est une chanson du groupe de rock américain Sleeping at Last,.

Symbolisme

Son symbole " ♄ ", d'origine ancienne représenterait la faucille du dieu Saturne ou serait dérivé de la lettre grecque kappa minuscule, initiale du grec ancien Κρόνος ( Krónos ). 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 .

Notes et références

Notes

1. Six de ses ↑ satellites naturels sont également visibles avec de gauche à droite : Titan (5 150 kilomètres de diamètre), Janus (179 km), Mimas (396 km), Pandore (396 km), Épiméthée (113 km) et Encelade (504 km).

2. ↑ Le rectangle noir en bas à droite est causé par un manque de données.

3. ↑ Rayon équatorial de Saturne (60 268 km), pris ici comme unité de longueur

4. ↑ " the star of Saturn is not a single star, but is a composition of three, which almost touch each other, never change or move relative to each other, and are arranger in a row along the zodiac, the middle one being three times larger than the lateral ones " - Galilée, 1610 (rapporté en anglais par Deiss et Nebel)

5. ↑ " Perhaps Saturn has devoured his own children ? " - Galilée, 1612 (rapporté en anglais par Deiss et Nebel)

6. ↑ " The two companions are no longer two small perfectly round globes [...] but are present much larger and no longer round [...] that is, two half ellipses with two little dark triangles in the middle of the figure and contiguous to the middle globe of Saturn, which is seen, as always, perfectly round " - Galilée, 1616 (rapporté par Calvin J. Hamilton)

7. ↑ Distance minimale du survol par rapport au centre de la planète.

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Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

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Articles connexes

Liens externes

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Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre. Saturne Saturne vue par la sonde Cassini en 2008.

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⭐ LA PLANÈTE SATURNE : ASTRONOMIE POUR DÉBUTANTS

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Septième planète du système solaire, Uranus est une géante gazeuse bleue. On ne connait pas très bien la composition interne de cette planète, mais on est certain qu’elle est différente de celle de Jupiter et Saturne. Sa couleur bleue est due à une forte présence de méthane.

Place dans le système solaire : 7e planète
Taille : 50724 km de diamètre (3e plus grosse planète)
Masse : 8,681 0×1025 kg
Distance au soleil : 3 milliards de km
Distance maximale depuis la Terre : 3 157 millions de km
Température : −225 °C
1 jour sur Uranus : 17 heures.
Une année sur Uranus : 84 ans
Surface : gaz, roches en fusion et glaces

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Uranus

Uranus vue par le télescope spatial James-Webb le .

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

2 870 700 000 km
(19,189 au)

Aphélie

3 006 300 000 km
(20,096 au)

Périhélie

2 735 000 000 km
(18,282 3 au)

Circonférence orbitale

18 027 000 000 km
(120,502 au)

Période de révolution

30 698 d
(≈ 84.05 a)

Période synodique

369,597 23 d

Vitesse orbitale moyenne

6,796 732 km/s

Vitesse orbitale maximale

7,129 872 km/s

Vitesse orbitale minimale

6,486 432 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

0,773 23 °

Nœud ascendant

74,026 75 °

Argument du périhélie

96,9 °

Satellites connus
28

Anneaux connus

13

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

25 559 ± 4 km
(4,007 23 Terres)

Rayon polaire

24 973 ± 20 km
(3,929 22 Terres)

Rayon moyen
volumétrique

25 362 ± 7 km
(3,981 Terres)

Périmètre équatorial

159 354,1 km
(3,980 9 Terres)

Superficie

8,083 1 × 10 ⁹ km²
(15,847 Terres)

Volume

6,833 44 × 10 ¹³ km³
(63,085 Terres)

Masse

8,681 0 × 10 ²⁵ kg
(14,536 Terres)

Masse volumique globale

1 270 kg/m³

Gravité de surface

8,87 m/s²
(0,904 g)

Vitesse de libération

21,3 km/s

Période de rotation
(jour sidéral)

−0,718 d
(17.23992 h ( rétrograde))

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

9 320 km/h

Irradiance solaire

3,71 W/m²
(0,003 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

57 K (−216 °C)

* Température à 10 k Pa

53 K (−220 °C)

* Température à 100 k Pa

76 K (−197 °C)

Caractéristiques de l'atmosphère

Masse volumique
à 100 k Pa

0,42 kg/m³

Hauteur d'échelle

27,7 km

Masse molaire moyenne

2,64 g/ mol

Histoire

Découverte par

William Herschel

Découverte le

Uranus est la septième planète du Système solaire par ordre d'éloignement du Soleil. Elle orbite autour de celui-ci à une distance d'environ 19,2 unités astronomiques (2,87 milliards de kilomètres), avec une période de révolution de 84,05 années terrestres. Il s'agit de la quatrième planète la plus massive du Système solaire et de la troisième plus grande par la taille.

Elle est la première planète découverte à l' époque moderne avec un télescope et non connue depuis l' Antiquité. Bien qu'elle soit visible à l'œil nu, son caractère planétaire n'est alors pas identifié en raison de son très faible éclat et de son déplacement apparent dans le ciel très lent. William Herschel l'observe pour la première fois le et la confirmation qu'il s'agit d'une planète et non d'une comète est faite pendant les mois qui suivent.

Comme " Jupiter et Saturne, l' atmosphère d'Uranus est composée principalement d' hydrogène et d' hélium avec des traces d' hydrocarbures. Cependant, comme Neptune, elle contient une proportion plus élevée de " glaces " au sens physique, c'est-à-dire de substances volatiles telles que l' eau, l' ammoniac et le méthane, tandis que l'intérieur de la planète est principalement composé de glaces et de roches, d'où leur nom de géantes de glaces ". Par ailleurs, le méthane est le principal responsable de la teinte aigue-marine de la planète. Son atmosphère planétaire est la plus froide du Système solaire, avec une température minimale de () à la tropopause, et présente une structure nuageuse en couches.

À l'instar des autres planètes géantes, Uranus possède un système d'anneaux et de nombreux satellites naturels : on lui connaît 13 anneaux étroits et 27 lunes. Cas unique dans le Système solaire, son axe de rotation est pratiquement dans son plan de révolution autour du Soleil - donnant l'impression qu'elle " roule " sur son orbite, du moins à un certain moment de sa révolution - et ses pôles Nord et Sud se trouvent donc là où la plupart des autres planètes ont leur équateur. La planète est pourvue d'une magnétosphère en forme de tire-bouchon du fait de cette inclinaison de l'axe.

La distance de la planète à la Terre lui donnant une très faible taille apparente, son étude est difficile avec des télescopes situés sur la Terre. Uranus est visitée une unique fois lors de la mission , qui en réalise un survol le . Les images de la sonde spatiale montrent alors une planète presque sans relief à la lumière visible, sans les bandes de nuages ou les tempêtes associées aux autres planètes géantes. L'avènement du télescope spatial Hubble et des grands télescopes au sol à optique adaptative permet ensuite des observations détaillées supplémentaires révélant un changement saisonnier, une activité météorologique accrue et des vents de l'ordre de 250 m/s alors qu'Uranus s'approchait de son équinoxe en 2007.

Son nom vient d' Ouranos, divinité grecque du ciel ( Uranus dans la mythologie romaine), père de Cronos ( Saturne) et grand-père de Zeus ( Jupiter).

Premières observations

La constellation du Taureau dans l'Atlas Coelestis de John Flamsteed.

Contrairement aux autres planètes ayant des orbites plus proches du Soleil - Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne - Uranus n'est pas découverte dès l' Antiquité. Du fait de son éloignement du Soleil, elle est observée à de nombreuses occasions mais est considérée comme une simple étoile jusqu'au en raison de son très faible éclat - sa magnitude apparente étant à la limite de la visibilité à l' œil nu - et de son déplacement apparent très lent dans le ciel terrestre.

La première observation connue pourrait être celle d' Hipparque qui, en , aurait pu l'enregistrer comme une étoile fixe dans son catalogue d'étoiles. En effet, un astérisme cité dans l' de Claude Ptolémée, reprenant les travaux d'Hipparque, ne peut être résolu que par la présence d'Uranus à cette époque. Par ailleurs, Uranus en av. J.-C. était dans des conditions d'observation très favorables : proche de son périhélie avec une magnitude de 5,4 et à 33° du zénith,.

La plus ancienne mention prouvée date de 1690 lorsque John Flamsteed l'observe au moins six fois et la catalogue en tant qu'étoile sous le nom de ,. L'astronome français Pierre Charles Le Monnier observe Uranus au moins douze fois entre 1750 et 1769, dont quatre nuits consécutives. John Bevis a peut-être également observé Uranus en 1738, des indices concordant avec une observation mais sans preuve définitive.

Découverte de la planète

William Herschel, huile sur toile de Lemuel Francis Abbott (1785).

William Herschel est un musicien anglais pratiquant l' astronomie en amateur. N'ayant pas les moyens financiers d'acheter un télescope, il polit lui-même un miroir pour construire le sien. Il découvre la planète le lors d'une recherche systématique d'étoiles à l'aide de son télescope depuis le jardin de sa maison du 19 New King Street à Bath dans le Somerset en Angleterre (désormais le musée d'astronomie Herschel),.

Plus précisément, Herschel avait entrepris un catalogage d'étoiles selon leur magnitude,. À la frontière des constellations des Gémeaux et du Taureau, Herschel remarque au milieu des étoiles fixes une petite tache : il change alors successivement d' oculaire, augmentant progressivement le grossissement. Cela fait augmenter la taille de l'objet à chaque fois tandis que les étoiles autour, très éloignées, ne varient pas en taille et restent de simples points brillants. Ainsi, il ne peut pas s'agir d'une étoile et il écrit donc dans son journal le : " Dans le quartile près de ζ Tauri, (...) se trouve un objet curieux, soit une nébuleuse ou peut-être une comète " ,. Il note la position de l'astre puis, quelques jours après, reprend son observation : " J'ai observé la comète ou la nébuleuse et trouvé qu'il s'agissait d'une comète, car elle avait changé de place " ,.

Il décide alors de prévenir la communauté scientifique de sa découverte et envoie un courrier avec les détails de l'observation de la comète au directeur de l' observatoire d'Oxford, Thomas Hornsby. Il informe également l'Astronomer Royal Nevil Maskelyne de l' observatoire de Greenwich. Il reçoit une réponse déconcertée de sa part le : " Je ne sais pas comment l'appeler. Il est aussi probable que ce soit une planète régulière se déplaçant sur une orbite presque circulaire par rapport au Soleil qu'une comète se déplaçant dans une ellipse très excentrique. Je n'ai pas encore vu de chevelure ni de queue " ,,. Celui-ci ne pouvant trancher, il diffuse la nouvelle à d'autres scientifiques et conseille à Herschel d'écrire à la . Le , lorsque William Herschel présente sa découverte à la Royal Society, il continue d'affirmer qu'il a trouvé une comète, mais la compare aussi implicitement à une planète.

Confirmation de son existence

Réplique du télescope de sept pieds utilisé par Herschel pour découvrir Uranus (exposée au Musée d'astronomie Herschel, Bath).

Bien que Herschel continue par précaution à appeler ce nouvel objet une comète, d'autres astronomes commencent déjà à soupçonner sa véritable nature. L'astronome finno-suédois " une étoile en mouvement qui peut être considérée comme un objet semblable à une planète, inconnue jusqu'à présent, circulant au-delà de l'orbite de Anders Lexell, travaillant en Russie, est le premier à calculer l'orbite du nouvel objet en appliquant le modèle d'une planète,. Son orbite presque circulaire correspondant au modèle appliqué l'amène à conclure qu'il s'agit d'une planète plutôt que d'une comète car il estime sa distance à dix-huit fois la distance Terre-Soleil et qu'aucune comète ayant un périhélie supérieur à quatre fois la distance Terre-Soleil n'a alors jamais été observée. L'astronome berlinois Johann Elert Bode décrit la découverte d'Herschel comme Saturne " ,. Bode conclut également que son orbite quasi circulaire ressemble plus à celle d'une planète que d'une comète. L'astronome français Charles Messier remarque aussi qu'avec son aspect de disque, elle ressemble plus à Jupiter qu'aux dix-huit autres comètes qu'il avait observées auparavant.

L'objet est ainsi rapidement unanimement accepté en tant que planète. En 1783, Herschel lui-même le reconnaît auprès du président de la , Joseph Banks : " D'après l'observation des astronomes les plus éminents d'Europe, il semble que la nouvelle étoile, que j'ai eu l'honneur de leur signaler en mars 1781, est une planète primaire de notre Système solaire " ,. Le roi d'Angleterre George III récompense Herschel de sa découverte en lui attribuant une rente annuelle de 200 £ ( soit 24 000 £ en 2024), à condition qu'il s'installe à Windsor afin que la famille royale puisse regarder à travers ses télescopes. Cette pension permet à Herschel d'arrêter son travail de musicien et de se consacrer pleinement à sa passion pour l' astronomie,. Il a ensuite un fils, John Herschel (lui aussi astronome), devient directeur de la Royal Astronomical Society en 1820 puis meurt en 1822 à près de 84 ans - ce qui correspond à la période de révolution d'Uranus, coïncidence notée par Ellis D. Miner.

En conséquence, cette découverte permet d'élargir les limites connues du Système solaire pour la première fois de l'Histoire - là où Saturne marquait auparavant la limite - et fait d'Uranus la première planète classée comme telle à l'aide d'un télescope.

Appellation

Le nom d'Uranus fait référence à la divinité grecque du ciel Ouranos ( grec ancien : , Uranus en mythologie romaine), le père de Cronos ( Saturne) et grand-père de Zeus ( Jupiter),. La forme adjectivale d'Uranus est " uranien " mais l'adjectif " ouranien " est aussi parfois utilisé comme dans astéroïde ouranocroiseur.

Le consensus sur son nom n'est atteint que près de 70 ans après la découverte de la planète. Au cours des discussions originales qui suivent la découverte, " le nom de Nevil Maskelyne propose à Herschel de nommer la planète, ce droit lui revenant en tant que découvreur,. En réponse à la demande de Maskelyne, Herschel décide de nommer l'objet Georgium Sidus (" l'étoile de George " ou la " planète géorgienne "), en l'honneur de son nouveau mécène, le roi George III,. Il explique cette décision dans une lettre à Joseph Banks en déclarant que dans l' Antiquité, les planètes étaient nommées d'après les noms des divinités principales et que dans l'ère actuelle, il ne serait guère admissible selon lui d'avoir recours à la même méthode pour nommer ce nouveau corps céleste. Aussi, l'important pour le désigner est de savoir quand il a été découvert : ,Georgium Sidus se présente à moi comme une appellation permettant de fournir l'information du pays et de l'époque où et quand la découverte a été faite " ,.

Cependant, le nom proposé par Herschel n'est pas populaire en dehors de la Grande-Bretagne et des alternatives sont rapidement proposées. L'astronome français Jérôme Lalande suggère par exemple que la planète soit nommée Herschel en l'honneur de son découvreur. L'astronome suédois Erik Prosperin propose le nom de Neptune, ce qui est alors soutenu par d'autres astronomes car cela permettrait également de commémorer les victoires de la flotte de la Royal Navy au cours de la guerre d'indépendance États-Unis ; des propositions similaires telles que Neptune George III ou Neptune Great-Britain sont également avancées.

Dès 1781, Johann Bode propose Uranus, la version latinisée du dieu grec du ciel, Ouranos,,. Bode fait valoir que le nom devrait suivre la mythologie afin de ne pas se démarquer de ceux des autres planètes, et qu'Uranus est un nom approprié en tant que père de la première génération des Titans. Il note aussi l'élégance du nom en ce que, tout comme Saturne était le père de Jupiter, la nouvelle planète devrait être nommée d'après le père de Saturne. En 1789, Martin Klaproth, compatriote et plus tard collègue de Bode à l' Académie royale des sciences de Suède, nomme l' élément chimique qu'il vient de découvrir uranium pour appuyer ce choix de nom,. Finalement, la suggestion de Bode devient la plus largement utilisée et est reconnue universelle en 1850 lorsque le HM Nautical Almanac Office, dernier à toujours utiliser Georgium Sidus, délaisse le nom proposé par Herschel pour Uranus.

Uranus possède une variété de traductions dans d'autres langues. Par exemple, en chinois, japonais, coréen et vietnamien, son nom est littéralement traduit par " étoile du roi du ciel " (天王星 ),,,. En hawaïen, son nom est Heleʻekala, un emprunt pour le découvreur Herschel,.

Après la découverte

Astronomie

Dessin du Système solaire par Percival Lowell en 1903.

Au et , il est très difficile d'observer correctement la surface d'Uranus à cause de sa distance avec la Terre. En 1937, les scientifiques fixent par spectroscopie et photométrie à 10 heures la rotation de la planète, qui était alors déjà vue comme rétrograde.

En 1948, Gerard Kuiper découvre Miranda, le plus petit et le dernier des cinq grands satellites sphériques - dits majeurs - d'Uranus, à l' observatoire McDonald,.

Le , les anneaux d'Uranus sont découverts, par hasard, par les astronomes James L. Elliot, Edward W. Dunham et Douglas J. Mink, embarqués à bord de l' observatoire aéroporté Kuiper. Les astronomes souhaitent utiliser l' occultation de l'étoile par Uranus pour étudier l'atmosphère de la planète. Or l'analyse de leurs observations met en évidence que l'étoile a été brièvement masquée à cinq reprises, avant et après l'occultation par Uranus ; les trois astronomes concluent à la présence d'un système d' anneaux planétaires étroits,. Dans leurs articles, ils désignent les cinq occultations observées par les cinq premières lettres de l' alphabet grec : α, β, γ, δ et ε ; ces désignations sont ensuite réutilisées pour nommer les anneaux. Peu de temps après, Elliot, Dunham et Mink découvrent quatre autres anneaux : l'un d'eux est situé entre les anneaux β et γ et les trois autres à l'intérieur de l'anneau α. Le premier est nommé η et les autres 4, 5 et 6, selon le système de numérotation des occultations adopté lors de la rédaction d'un autre article. Le système d'anneaux d'Uranus est le second découvert dans le Système solaire, après celui de Saturne connu depuis le .

Astrologie

Le monde " l'articulation des astrologique a eu besoin d'un certain temps pour intégrer Uranus dans son symbolisme (et encore, selon l' astrologie traditionnelle, seuls les sept premiers astres visibles à l'œil nu sont importants). Ainsi la formulation prototypique des significations astrologiques de l'astre date de 33 ans après sa découverte : dans The Urania en 1814, par J. Corfield. Effectivement, comme le rappelle le spécialiste de l'histoire de l'astrologie Jacques Halbronn, cette découverte inattendue a fait voler en éclats les dignités planétaires héritées de Claude Ptolémée. Le système des maîtrises des planètes sur les signes est central en astrologie. En effet, à la suite de Jean-Baptiste Morin de Villefranche, les astrologues basent leur système d'interprétation sur maisons astrologiques par le truchement des maîtrises ". Ptolémée avait attribué deux maîtrises pour Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, et une seule maîtrise pour la Lune et le Soleil, soit douze maîtrises de signes astrologiques au total, autant que les signes. Cela correspondait à un nombre traditionnel de sept (d'où le nom de Septénaire astrologique) astres visibles à l'œil nu, en incluant les deux luminaires Soleil et Lune. Avec la découverte d'Uranus, tout ce savant dispositif s'écroulait : qu'Uranus se voie attribuer deux maîtrises ou une seule, il y aurait doublon(s). Certains ont affirmé qu'étant invisible, Uranus n'avait pas de trône, soit une exception de taille à la théorie.

Caractéristiques physiques

Masse et diamètre

Comparaison de taille entre la Terre et Uranus.

Avec une masse de 8,681 × 10 ²⁵ kg,, Uranus est un corps intermédiaire entre la Terre et les géantes gazeuses de grande taille comme Jupiter ou Saturne. En effet, la masse uranienne vaut 14,5 fois la masse terrestre mais de la masse jovienne,,.

Par convention, la forme de la planète est définie par un modèle d'100 000 ellipsoïde de révolution où la " surface " est définie comme l'endroit où la pression atmosphérique est égale à ( Pa) et est utilisée comme point de référence pour les altitudes,. Son rayon équatorial est de 25 559 km et son rayon polaire de 24 973 km, ce dernier étant plus faible du fait de l' aplatissement causé par la rotation de la planète. Sa gravité à 1 bar est de 8,87 m/s ², soit 90 % de la gravité de surface sur Terre,.

Comme Uranus est légèrement moins massive que Neptune (cette dernière possédant une masse de ), elle est légèrement plus grande en raison de la compression gravitationnelle (49 528 km de diamètre pour Neptune contre 51 118 km pour Uranus), avec un rayon d'à peu près quatre fois le rayon terrestre,.

Par ailleurs, Neptune et Uranus sont souvent considérées comme une sous-classe des " planètes géantes, appelées géantes de glaces ", en raison de leur taille plus petite et de leur plus forte concentration de substances volatiles par rapport à Jupiter et Saturne. Dans le cadre de la recherche d' exoplanètes, Uranus est parfois utilisée comme métonymie pour décrire les corps découverts ayant une masse similaire ; l'appellation " Neptunes " reste cependant plus courante, par exemple les Neptunes chaudes ou froides,.

Structure interne

La masse volumique d'Uranus, 1,27 , en fait la deuxième planète la moins dense, après Saturne,. Cette valeur indique qu'elle est composée principalement de diverses glaces, telles que l' eau, l' ammoniac et le méthane, de façon similaire à Neptune,. La masse totale de glace à l'intérieur d'Uranus n'est pas connue avec précision, car les valeurs diffèrent selon le modèle choisi. Cependant, cette valeur doit être comprise entre 9,3 et 13,5 masses terrestres,. L' hydrogène et l' hélium ne constituent quant à eux qu'une petite partie du total, avec entre 0,5 et 1,5 masse terrestre, en proportions identiques à celles trouvées au sein du Soleil,,. Le reste de la masse non glacée (0,5 à 3,7 masses terrestres) est représenté par des matériaux rocheux.

Le modèle standard de la structure d'Uranus se décompose en trois couches : un noyau rocheux ( silicate, fer et nickel) au centre, un manteau glacé au milieu puis une enveloppe externe d'hydrogène et d'hélium gazeux,. Le noyau est relativement petit, avec une masse de seulement 0,55 masse terrestre et un rayon inférieur à 20 % de la planète, soit environ la taille de la Terre. Le manteau comprend l'essentiel de sa masse pour 60 % du rayon, et la haute atmosphère les 20 % restants pour 0,5 masse terrestre,. Avec une masse volumique du noyau d'Uranus d'environ 4,42 g/cm ³, la pression au centre serait d'environ 5,8 Mbar (580 GPa) - un peu moins du double que celle au centre de la Terre - et la température de l'ordre de grandeur de 5 000 K (4 727 °C),.

Comme il est d'usage en planétologie, le manteau est qualifié de glacé même s'il s'agit d'un fluide chaud et dense composé d'eau, d'ammoniac et d'autres substances volatiles,. Ce fluide, à haute conductivité électrique, est parfois appelé " océan eau-ammoniac ". En 1981, des études théoriques et des expériences réalisées par compression laser conduisent Marvin Ross, du laboratoire national Lawrence Livermore, à proposer que cette couche soit totalement ionisée, et que le méthane y soit pyrolysé en carbone sous forme de métal ou de diamant. Le méthane se décompose en carbone et en hydrocarbures du fait des très fortes pressions et températures y régnant,. Ensuite, la précipitation du carbone libère de l'énergie - énergie potentielle gravitationnelle convertie en chaleur - entraînant des courants de convection qui libèrent les hydrocarbures dans l'atmosphère. Ce modèle expliquerait la présence d'hydrocarbures divers dans l'atmosphère d'Uranus,.

En 2017, de nouvelles expériences simulant les conditions présumées régner vers 10 000 km sous la surface d'Uranus et de Neptune viennent conforter ce modèle en produisant des diamants de taille nanométrique. Ces conditions de hautes température et pression ne peuvent pas être maintenues plus d'une nanoseconde sur Terre mais, dans les atmosphère de Neptune ou d'Uranus, les nano-diamants auraient le temps de croître pour donner des pluies de diamants,,. Il est également supposé que ce type de pluies de diamants se produise sur Jupiter et Saturne. Aussi, le sommet du manteau pourrait être un océan de carbone liquide où les " diamants " solides flotteraient,,. Certaines études appuient l'hypothèse selon laquelle le manteau serait constitué d'une couche d'eau ionique dans laquelle les molécules d'eau se décomposeraient en ions hydrogène et oxygène, et plus profondément en eau superionique, dans laquelle l'oxygène cristallise mais les ions hydrogène flottent librement dans le réseau d'oxygène. Cependant d'autres études tendent à établir que la présence de carbone (sous forme de méthane), ne permettrait pas la formation d'eau superionique (et plus précisément de cristaux d'oxygène).

Bien que le modèle considéré ci-dessus soit raisonnablement standard, il n'est pas unique et d'autres modèles sont également envisagés. Par exemple, il se pourrait qu'il y ait des quantités substantielles d'hydrogène et de roches mélangées dans le manteau de glace, faisant que la masse totale de glaces supposée soit supérieure à la réalité. Les données actuellement disponibles, provenant quasiment uniquement du survol de , ne permettent pas d'avoir de certitude en la matière.

Chaleur interne

La chaleur interne d'Uranus semble nettement inférieure à celle des autres planètes géantes, y compris Neptune qui a pourtant une masse et une composition similaire. En effet, si Neptune irradie 2,61 fois plus d'énergie dans l'espace qu'elle n'en reçoit du Soleil, Uranus ne rayonne pratiquement pas de chaleur en excès : la puissance totale rayonnée par Uranus dans la partie infrarouge lointain du spectre est de 1,06 ± 0,08 fois l'énergie solaire absorbée dans son atmosphère,,. Cette différence de chaleur interne entre les deux planètes glacées explique la plus forte activité climatique et les vents plus rapides présents sur Neptune. En fait, le flux de chaleur d'Uranus est seulement de 0,042 ± 0,047 W/m², ce qui est plus bas que le flux de chaleur interne de la Terre qui est d'environ 0,075 . La température la plus basse enregistrée dans la tropopause d'Uranus est de 49 K (−224 °C), faisant d'Uranus la planète la plus froide du Système solaire,.

L'une des hypothèses pour expliquer cet écart avec Neptune est qu'Uranus aurait été frappée par un impacteur ; en conséquence, elle aurait expulsé la majeure partie de sa chaleur primordiale et se serait finalement retrouvée avec une température centrale plus faible. Cette hypothèse d'impact est également celle utilisée dans certaines tentatives d'explication de l'inclinaison axiale particulière de la planète,. Une autre hypothèse est qu'il existe une forme de barrière dans les couches supérieures d'Uranus qui empêcherait la chaleur du noyau d'atteindre la surface. Par exemple, la convection peut avoir lieu dans un ensemble de couches de composition différente, ce qui pourrait inhiber la conduction thermique verticale ou faire apparaître une convection diffusive double qui pourrait être un facteur limitant.

Il est cependant difficile d'expliquer simultanément le manque de chaleur interne d'Uranus tout en observant sa similitude apparente avec Neptune. Il est aussi possible que les activités atmosphériques sur les deux géantes glacées soient plus dépendantes de l' irradiation solaire que de la quantité de chaleur s'échappant de leur intérieur.

Atmosphère

Atmosphère d'Uranus prise par le programme Outer Planet Atmosphere Legacy (OPAL).

Bien qu'il n'y ait pas de surface solide définie à l'intérieur d'Uranus, la partie la plus externe de l'enveloppe gazeuse d'Uranus est appelée son atmosphère. L'atmosphère uranienne peut être divisée en trois couches : la troposphère, entre -300 et 50 km avec des pressions allant de 100 à 0,1 bar, puis la stratosphère, de 50 à 4 000 km et des pressions allant de 0.1 à 10 −10 bar, puis la thermosphère, s'étendant de 4 000 km jusqu'à 50 000 km de la surface - soit près de deux rayons planétaires depuis la surface à 1 bar.

Composition

L' atmosphère d'Uranus, comme celle de Neptune, est différente de celles trouvées sur les deux géantes gazeuses, Jupiter et Saturne. Bien que principalement composée comme elles d' hydrogène et d' hélium, elle possède en effet une plus grande proportion de substances volatiles telles que l' eau, l' ammoniac et le méthane,. Par ailleurs, ce dernier ayant des bandes d'absorption proéminentes dans le visible et le proche infrarouge (IR), il est la cause de la couleur aigue-marine ou cyan de la planète. Des traces de divers hydrocarbures se trouvent dans la stratosphère d'Uranus, qui pourraient être produits à partir du méthane par photolyse induite par le rayonnement solaire ultraviolet. Parmi eux, et hormis le méthane, on trouve notamment l' éthane, l' acétylène, le méthylacétylène et le diacétylène. La spectroscopie révèle aussi des traces de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone dans la haute atmosphère, qui ne peuvent provenir que de sources externes telles que des comètes,,.

Troposphère

La troposphère est la partie la plus basse et la plus dense de l'atmosphère, se caractérisant par une diminution de la température avec l'altitude. La température tombe d'environ () à −300 km (base de la troposphère) à 53 K (−220 °C) à 50 km,. Les températures dans la région supérieure la plus froide de la troposphère (la tropopause) varient de 49 à 57 K en fonction de la latitude planétaire,. La région de la tropopause est responsable de la grande majorité des émissions infrarouges lointaines thermiques d'Uranus, permettant ainsi de déterminer sa température effective de 59,1 K (−214 °C),.

La troposphère est une partie dynamique de l'atmosphère, présentant des vents forts, des nuages brillants et des changements saisonniers.

Stratosphère

Aurores boréales sur Uranus prises par le spectrographe d'Hubble.

La couche intermédiaire de l'atmosphère uranienne est la stratosphère, où la température augmente généralement avec l'altitude à partir de 53 K à la tropopause jusqu'à entre 800 et 850 K (527 et 577 °C) à la base de la thermosphère. Le réchauffement de la stratosphère est causé par l'absorption des rayons UV et IR solaires par le méthane et d'autres hydrocarbures. La chaleur est également conduite à partir de la thermosphère chaude. Les hydrocarbures occupent une couche relativement étroite à des altitudes comprises entre 100 et 300 km correspondant à une plage de pression de 1000 à 10 Pa et à des températures comprises entre 75 et 170 K (-198 et −103 °C),. L'éthane et l'acétylène ont tendance à se condenser dans la partie inférieure la plus froide de la stratosphère et à la tropopause (en dessous de 10 mbar) en formant des couches de brume, qui peuvent être en partie responsables de l'apparence terne d'Uranus. La concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère uranienne au-dessus de la brume est nettement inférieure à celle des stratosphères des autres planètes géantes,.

Thermosphère

La couche la plus externe de l'atmosphère uranienne est la thermosphère, qui a une température uniforme d'environ 800 et 850 K (527 et 577 °C),. Les sources de chaleur nécessaires pour maintenir un niveau aussi élevé ne sont pas totalement expliquées, car ni le rayonnement ultraviolet solaire et ni l'activité aurorale ne peuvent fournir l'énergie nécessaire pour atteindre ces températures - cette activité étant bien plus faible que celles de Jupiter ou de Saturne. La faible efficacité de refroidissement due au manque d'hydrocarbures dans la stratosphère au-dessus de 0,1 mbar pourrait cependant contribuer,.

En plus de l'hydrogène moléculaire, la thermosphère contient de nombreux atomes d' hydrogène libres. Leurs faibles masses et leurs températures élevées créent une couronne s'étendant jusqu'à 50 000 km, soit deux rayons uraniens à partir de sa surface. Cette couronne étendue est une caractéristique unique d'Uranus,. Ses effets induisent une traînée sur les petites particules en orbite autour d'Uranus, provoquant un épuisement général de poussière des anneaux d'Uranus. La thermosphère d'Uranus avec la partie supérieure de la stratosphère correspondent à sa ionosphère, s'étendant de 2 000 à 10 000 km. La ionosphère d'Uranus est plus dense que celle de Saturne ou de Neptune, ce qui peut être une conséquence de la faible concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère,. La ionosphère est principalement entretenue par le rayonnement solaire UV et sa densité dépend de l' activité solaire.

Aux longueurs d'onde ultraviolettes et visibles, l'atmosphère d'Uranus apparaît terne par rapport aux autres planètes géantes. Lorsque Voyager 2 survole Uranus en 1986, la sonde observe un faible total de dix caractéristiques nuages sur toute la planète,. Une explication proposée pour cette pénurie de caractéristiques est que la chaleur interne d'Uranus est nettement inférieure à celle des autres planètes géantes, dont Neptune qui lui ressemble pourtant par ailleurs. La température la plus basse enregistrée à la tropopause d'Uranus est de 49 K (−224 °C), faisant d'Uranus la planète la plus froide du Système solaire,.

Structure en bandes

L'hémisphère sud d'Uranus dans une couleur naturelle approximative (à gauche) et dans des longueurs d'onde plus courtes (à droite), montrant ses faibles bandes de nuages et sa calotte atmosphérique (Voyager 2).

En 1986, Voyager 2 découvre que l'hémisphère sud visible d'Uranus peut être subdivisé en deux régions : une calotte polaire brillante et des bandes équatoriales sombres. Leur frontière est située à environ une latitude d'environ -45°. Une bande étroite chevauchant la plage latitudinale de -45 à -50° est la caractéristique la plus brillante sur sa surface visible : elle est appelée le " collier " ( collar) du sud,. Il est supposé que la calotte et le collier sont des régions denses de nuages de méthane situés dans la plage de pression de 1,3 à 2 bar. Outre la structure en bandes à grande échelle, Voyager 2 observe dix petits nuages brillants, la plupart se trouvant à plusieurs degrés au nord du collier. À tous autres égards, Uranus ressemble à une planète dynamiquement morte lors de ce survol.

Aussi, Voyager 2 arrive au plus fort de l'été sud d'Uranus et ne peut donc pas observer l'hémisphère nord. Au début du , lorsque la région polaire nord apparaît, le télescope spatial Hubble et le télescope Keck n'observent initialement ni collier ni calotte polaire dans l'hémisphère nord : Uranus semblait donc asymétrique, lumineuse près du pôle sud et uniformément sombre dans la région au nord du collier sud. Cependant, en 2007, quand Uranus atteint son équinoxe, le collier sud avait presque disparu et un léger collier nord avait quant à lui émergé vers 45° de latitude.

Dans les années 1990, le nombre de caractéristiques de nuages brillants observés augmente considérablement, en partie grâce à de nouvelles techniques d'imagerie haute résolution. La plupart sont trouvés dans l'hémisphère nord alors qu'il commençait à devenir visible. Il existe des différences entre les nuages de chaque hémisphère : les nuages du nord sont plus petits, plus nets et plus brillants. Aussi, ils semblent se trouver à une altitude plus élevée.

La première tache sombre observée sur Uranus (2006).

La durée de vie des nuages s'étend sur plusieurs ordres de grandeur ; si certains petits nuages vivent pendant quelques heures, au moins un nuage au sud semblait avoir persisté depuis le survol du Voyager 2 vingt ans après,. Des observations plus récentes laissent également à penser que les nuages sur Uranus seraient semblables en certains points à ceux de Neptune. Par exemple, les taches sombres communes sur Neptune n'avaient jamais été observées sur Uranus avant 2006, lorsque la première de ce type - appelée Uranus Dark Spot - est prise en image,. Il est spéculé qu'Uranus deviendrait plus semblable à Neptune lorsque proche de ses équinoxes.

Le suivi des caractéristiques nuageuses permet de déterminer des vents zonaux soufflant dans la haute troposphère d'Uranus. À l'équateur, les vents sont rétrogrades, ce qui signifie qu'ils soufflent dans le sens inverse de la rotation planétaire. Leurs vitesses vont de -360 à −180 km/h,. La vitesse du vent augmente avec la distance de l'équateur, atteignant des valeurs nulles près de ± 20° de latitude, là où se situe la température minimale de la troposphère,. Plus près des pôles, les vents se déplacent dans une direction prograde. La vitesse du vent continue d'augmenter pour atteindre des maxima à 238 m/s (856 km/h) vers ± 60° de latitude avant de tomber à zéro aux pôles,,.

Variations saisonnières

Uranus en 2005 : des anneaux, un collier sud et un nuage brillant dans l'hémisphère nord sont visibles.

Pendant une courte période de mars à , de gros nuages apparaissent dans l'atmosphère uranienne, lui donnant une apparence similaire à celle de Neptune" ,. Les observations comprenaient des vitesses de vent de 229 m/s (824 km/h) et un orage persistant surnommé ,. feu d'artifice du 4 juillet ". En 2006, la première tache sombre est observée. La raison pour laquelle cette soudaine recrudescence d'activité s'est produite n'est pas entièrement connue, mais il semble que l'inclinaison axiale d'Uranus entraîne des variations saisonnières extrêmes de son climat

Il est difficile de déterminer la nature de cette variation saisonnière car des données précises sur l'atmosphère d'Uranus existent depuis moins de 84 ans, soit une année uranienne complète. La photométrie au cours d'une demi-année uranienne (à partir des années 1950) montre une variation régulière de la luminosité dans deux bandes spectrales, les maxima se produisant aux solstices et les minima aux équinoxes. Une variation périodique similaire, avec des maxima aux solstices, est notée dans les mesures par micro-ondes de la troposphère profonde commencées dans les années 1960. Les mesures de la température stratosphérique à partir des années 1970 montrent aussi des valeurs maximales proches du solstice de 1986. Il est supposé que la majorité de cette variabilité se produit en raison de changements dans la géométrie de visualisation.

Il existe quelques indications des changements saisonniers physiques se produisant sur Uranus. En effet, si elle connue pour avoir une région polaire sud brillante et un pôle nord mat, ce qui serait incompatible avec le modèle du changement saisonnier décrit ci-dessus, la planète avait pourtant affiché des niveaux de luminosité élevés lors de son précédent solstice de l'hémisphère nord vers 1946. Le pôle nord n'aurait ainsi pas toujours été aussi sombre et le pôle visible pourrait ainsi s'éclaircir quelque temps avant le solstice et s'assombrir après l'équinoxe. Une analyse détaillée des données visibles et micro-ondes révèle que les changements périodiques de luminosité ne sont pas complètement symétriques autour des solstices, ce qui indique également un changement dans les modèles d' albédo méridien. Dans les années 1990, alors qu'Uranus s'éloigne de son solstice, Hubble et les télescopes au sol révèlent que la calotte polaire sud s'assombrit sensiblement (sauf le collier sud, qui reste brillant), puis l'hémisphère nord commence au début des années 2000 à connaître une activité croissante, comme des formations nuageuses et des vents plus forts allant jusqu'à 238 m/s, renforçant les attentes selon lesquelles cet hémisphère devrait bientôt s'éclaircir,,. Cela s'est effectivement produit en 2007 lorsque la planète passe son équinoxe : un léger collier polaire nord s'est levé et le collier sud est devenu presque invisible, bien que le profil de vent zonal soit resté légèrement asymétrique, les vents du nord étant un peu plus lents que ceux du sud.

Magnétosphère

Avant le survol de , aucune mesure de la magnétosphère uranienne n'avait été réalisée et sa nature était donc inconnue. Avant 1986, les astronomes supposent que le champ magnétique d'Uranus est aligné avec le vent solaire, puisqu'il serait alors aligné avec les pôles, qui sont sur le plan de l' écliptique.

Cependant, les observations de Voyager 2 révèlent que le champ magnétique d'Uranus est particulier, d'une part parce qu'il n'a pas pour origine le centre géométrique de la planète mais est décalé de près de 8 000 km de celui-ci (un tiers du rayon planétaire), et d'autre part parce qu'il penche de 59° par rapport à l'axe de rotation,. Cette géométrie inhabituelle a pour conséquence d'induire une magnétosphère fortement asymétrique, la force du champ magnétique à la surface du pôle sud pouvant être aussi basse que 0,1 (10 ), alors qu'au pôle nord elle peut atteindre 1,1 gauss (110 µT). Le champ magnétique moyen en surface est de 0,23 gauss (23 µT).

En 2017, des études sur les données de Voyager 2 suggèrent que cette asymétrie amène la magnétosphère d'Uranus à réaliser une reconnexion magnétique avec le vent solaire une fois par jour uranien, ouvrant la planète aux particules du Soleil. En comparaison, le champ magnétique terrestre est à peu près aussi fort à l'un ou l'autre des pôles, et son " équateur magnétique " est à peu près parallèle à son équateur géographique. Le moment magnétique bipolaire d'Uranus vaut environ 50 fois celui de la Terre.

Neptune possède également un champ magnétique penché et déséquilibré de la même manière, ce qui suggère que cela pourrait être une caractéristique commune des géantes de glaces. Une hypothèse est que, contrairement aux champs magnétiques des planètes telluriques et géantes gazeuses, qui sont générés dans leurs noyaux, les champs magnétiques des géantes de glace seraient générés par des mouvements de conducteurs à des profondeurs relativement faibles, par exemple, dans l'océan eau-ammoniac,. Une autre explication possible de l'alignement particulier de la magnétosphère est que des océans de diamant liquide à l'intérieur d'Uranus auraient une incidence sur le champ magnétique.

Une aurore boréale d'Uranus face à ses anneaux (Hubble, 2012).

Malgré son étrange alignement, la magnétosphère uranienne est, par bien des aspects, semblable à celle des autres planètes : elle possède un arc de choc à environ 23 rayons planétaires devant elle, une magnétopause à 18 rayons uraniens, une magnétoqueue bien développée et des ceintures de radiation,. Dans l'ensemble, la structure de la magnétosphère d'Uranus est similaire à celle de Saturne. La queue de la magnétosphère d'Uranus est par ailleurs tordue à cause de sa rotation latérale en une forme de long tire-bouchon s'étendant sur des millions de kilomètres derrière elle,.

La magnétosphère d'Uranus contient des particules chargées, avec principalement des protons et des électrons et une petite quantité d' ions mais aucun ion plus lourd n'a été détecté,. Beaucoup de ces particules proviendraient de la thermosphère. La population de particules est fortement affectée par les lunes uraniennes qui balaient la magnétosphère, laissant des lacunes importantes. Le flux de ces particules est suffisamment élevé pour provoquer une érosion spatiale de leurs surfaces sur une échelle de temps astronomiquement rapide de 100 000 ans. Cela pourrait être la cause de la coloration uniformément sombre des satellites et des anneaux d'Uranus.

Uranus présente des aurores polaires relativement développées, qui apparaissent comme des arcs lumineux autour des deux pôles magnétiques,. Contrairement à Jupiter, les aurores d'Uranus semblent être insignifiantes pour le bilan énergétique de la thermosphère planétaire.

En , les astronomes de la NASA signalent la détection d'une grande bulle magnétique atmosphérique, également connue sous le nom de plasmoïde. Elle aurait été libérée dans l' espace par la planète Uranus lors du survol de la planète en 1986, cette découverte ayant été faite après avoir réévalué d'anciennes données enregistrées par la sonde spatiale ,.

Caractéristiques orbitales

La période de révolution d'Uranus autour du Soleil est d'environ 84 années terrestres (30 685 jours terrestres), la seconde plus grande des planètes du Système solaire après Neptune,. L'intensité du flux solaire sur Uranus est d'environ de celui reçu par la Terre.

Le demi- grand axe d'Uranus est de 19,218 unités astronomiques, soit environ 2 871 millions de kilomètres. Son excentricité orbitale de 0,046 381 implique que la différence entre sa distance au Soleil à l' aphélie et au périhélie est de 1,8 ua - la plus grande de toutes les planètes du Système solaire.

Calcul de son orbite

En 1821, Alexis Bouvard publie des tables astronomiques de l'orbite d'Uranus. Cependant, avec le temps, des divergences commencent à apparaître entre les orbites prévues et observées et l'astronome français, notant ces perturbations gravitationnelles inexpliquées, conjecture qu'une huitième planète, plus lointaine, pourrait en être la cause. Les astronomes britannique John Couch Adams en 1843 et français Urbain Le Verrier en 1846 calculent indépendamment la position prévue de cette hypothétique planète. Grâce aux calculs de ce dernier, elle est finalement observée pour la première fois le par l'astronome prussien Johann Gottfried Galle, à un degré de la position prédite,.

La période de rotation des couches intérieures d'Uranus est de 17 heures et 14 minutes,. Cependant, comme toutes les planètes géantes, la haute atmosphère d'Uranus connaît des vents très violents dans la direction de rotation. Le vent à la surface d'Uranus peut atteindre des vitesses de l'ordre de 700 ou 800 km/h vers +60° de latitude et, par conséquent, des parties visibles de son atmosphère se déplacent beaucoup plus vite et effectuent une rotation complète en environ 14 heures.

Son rayon équatorial est de 25 559 km et son rayon polaire de 24 973 km, ce dernier étant plus faible du fait de l' aplatissement causé par la rotation de la planète.

Inclinaison de l'axe

À la différence de toutes les autres planètes du Système solaire, Uranus présente une très forte inclinaison de son axe par rapport à la normale - perpendiculaire - de l' écliptique. Ainsi, avec une inclinaison axiale de 97,77° - par comparaison l'inclinaison de l'axe terrestre est d'environ 23° - cet axe est quasiment parallèle au plan orbital,. La planète " roule " pour ainsi dire sur son orbite et présente alternativement au Soleil son pôle nord, puis son pôle sud.

Cela crée des changements saisonniers complètement différents de ceux des autres planètes. Près du solstice, un pôle fait face au Soleil en continu et l'autre est tourné vers l'extérieur. Chaque pôle obtient donc environ 42 années d'ensoleillement continu suivies d'autant d'années d'obscurité,. Seule une bande étroite autour de l'équateur connaît un cycle jour-nuit rapide, mais avec le soleil très bas à l'horizon. De l'autre côté de l'orbite d'Uranus, l'orientation des pôles vers le Soleil est inversée. Un résultat de cette orientation d'axe est que, en moyenne sur une année uranienne, les régions polaires d'Uranus reçoivent plus d' énergie solaire que ses régions équatoriales,. Néanmoins, Uranus est plus chaude à son équateur qu'à ses pôles ; le mécanisme en cause de ce résultat contre-intuitif est inconnu mais pourrait être dû à un processus de distribution de la chaleur par le climat,.

Près de l' équinoxe, le Soleil fait face à l'équateur d'Uranus, lui donnant pendant un temps une période de cycles jour-nuit proche de ceux observés sur la plupart des autres planètes. Uranus atteint son équinoxe le plus récent le ,.

Plusieurs hypothèses peuvent expliquer cette configuration particulière de l'axe de rotation de la planète. L'une d'elles décrit la présence d'un satellite ayant provoqué graduellement le basculement d'Uranus par un phénomène de résonance avant d'être éjecté de son orbite,. Une autre thèse avance le fait que le basculement serait dû à au moins deux impacts avec des impacteurs qui se seraient produits avant que les satellites d'Uranus ne se soient formés,. À l'appui de cette thèse, en , plus de cinquante simulations d'impact effectuées avec des super calculateurs concluent à une collision majeure entre une jeune protoplanète et Uranus, au niveau du pôle Nord et à une vitesse de 20 km/s. La protoplanète de roche et de glace aurait fait basculer Uranus avant de se désintégrer et de former une couche de glace sur le manteau. Cette collision aurait relâché une partie de la chaleur interne de la planète, expliquant qu'elle soit la plus froide du Système solaire.

Lors du survol de la planète par en 1986, le pôle sud d'Uranus est orienté presque directement vers le Soleil. On peut dire qu'Uranus a une inclinaison légèrement supérieure à 90° ou encore que son axe a une inclinaison légèrement inférieure à 90° et qu'elle tourne alors sur elle-même dans le sens rétrograde. L'étiquetage de ce pôle comme " sud " utilise la définition actuellement approuvée par l' Union astronomique internationale, à savoir que le pôle nord d'une planète ou d'un satellite est le pôle qui pointe au-dessus du plan invariable du Système solaire, quelle que soit la direction dans laquelle la planète tourne,. Ainsi, par convention, Uranus a une inclinaison supérieure à 90° et possède donc une rotation rétrograde, comme Vénus.

Formation et migration

Simulation du modèle de Nice montrant les planètes extérieures et la ceinture de Kuiper :
1. avant que Jupiter et Saturne n'atteignent une résonance de 2:1 ;
2. après la diffusion vers l'intérieur des objets de la ceinture de Kuiper à la suite du déplacement orbital de Neptune ;
3. après éjection des corps dispersés de la ceinture de Kuiper par Jupiter.

La formation des géantes de glaces, Uranus et Neptune, s'avère difficile à modéliser avec précision. Les modèles actuels suggèrent que la densité de matière dans les régions externes du Système solaire est trop faible pour tenir compte de la formation de si grands corps à partir de la méthode traditionnellement acceptée d' accrétion du noyau, aussi appelée modèle d'accrétion de cœur,. Ainsi, diverses hypothèses sont avancées pour expliquer leur apparition.

La première hypothèse est que les géantes de glaces n'ont pas été formées par l'accrétion du noyau, mais à partir d' instabilités dans le disque protoplanétaire d'origine qui ont ensuite vu leur atmosphère soufflée par le rayonnement d'une association OB massive à proximité.

Une autre hypothèse est qu'elles se sont formées plus près du Soleil, où la densité de matière était plus élevée, puis qu'elles ont ensuite réalisé une migration planétaire vers leurs orbites actuelles après le retrait du disque protoplanétaire gazeux. Cette hypothèse de migration après formation est maintenant privilégiée en raison de sa capacité à mieux expliquer l'occupation des populations de petits objets observées dans la région trans-neptunienne,. Le courant le plus largement accepté des explications sur les détails de cette hypothèse est connu sous le nom de modèle de Nice, qui explore l'effet d'une migration d'Uranus et des autres planètes géantes sur la structure de la ceinture de Kuiper,,.

Cortège d'Uranus

Les six plus grosses lunes d'Uranus ; de gauche à droite : Puck, Miranda, Ariel, Umbriel, Titania et Obéron.

Uranus possède 27 satellites naturels connus,,. Leur masse combinée - ainsi que celle des anneaux, négligeable - représente moins de 0,02 % de la masse de la planète. Les noms de ces satellites sont choisis parmi les personnages des œuvres de Shakespeare et d' Alexandre Pope,.

William Herschel découvre les deux premières lunes, Titania et Obéron, en 1787 - soit six ans après la découverte de la planète,. Elles sont nommées ainsi 65 ans après par son fils John Herschel. Par ailleurs, William Herschel pense en avoir découvert quatre autres les années suivantes mais leur correspondance avec des lunes existantes n'est pas vérifiée. Ces observations ont alors une grande importance car elles permettent notamment d'estimer la masse et le volume de la planète.

William Lassell annonce officiellement la découverte d' Ariel et Umbriel en 1851, résultat d'un travail commun avec William Dawes,. Près d'un siècle plus tard (en 1948), Gerard Kuiper découvre Miranda,. La vingtaine de lunes restantes est découverte après 1985, pour certaines pendant le survol de et les autres avec des télescopes au sol,.

Les satellites d'Uranus sont divisés en trois groupes : treize satellites intérieurs, cinq satellites majeurs et neuf satellites irréguliers,.

Le système uranien par le TGT.

Les satellites intérieurs sont de petits corps sombres ayant des caractéristiques et une origine communes avec les anneaux de la planète. Leur orbite est située à l'intérieur de celle de Miranda et ils sont fortement liés aux anneaux d'Uranus, certaines lunes ayant probablement causé certains anneaux par fragmentation. Puck est le plus grand satellite intérieur d'Uranus, avec un diamètre de 162 km, et le seul pour lequel les photos prises par Voyager 2 montrent des détails. Parmi les autres satellites intérieurs, on compte par ordre d'éloignement à la planète Cordélia, Ophélie, Bianca, Cressida, Desdémone, Juliette, Portia, Rosalinde, Cupid, Belinda, Perdita et Mab.

Les cinq satellites majeurs - Miranda, Ariel, Umbriel, Titania et Obéron - ont une masse suffisante pour être en équilibre hydrostatique. Tous sauf Umbriel présentent à la surface des signes d'activité interne, tels que la formation de canyons ou du volcanisme. Le plus grand satellite d'Uranus, Titania, est le huitième plus grand du Système solaire, avec un diamètre de 1 578 km, soit un peu moins de la moitié de la Lune pour une masse vingt fois inférieure. La masse combinée des cinq principaux satellites est inférieure à la moitié de celle de Triton (le plus grand satellite naturel de Neptune) seul,. Ils ont des albédos géométriques relativement bas, allant de 0,21 pour Umbriel à 0,39 pour Ariel - qui ont par ailleurs respectivement la plus ancienne et la plus jeune surface des satellites majeurs,. Ce sont des conglomérats de glace et de roche composés d'environ 50 % de glace (ammoniac et dioxyde de carbone) et de 50 % de roche, de façon similaire aux satellites glacés de Saturne,. Seule Miranda semble principalement composée de glace et possède des canyons d'une profondeur de 20 km, des plateaux et des variations chaotiques de ses caractéristiques de surface uniques dans le Système solaire,,. L'activité géologique passée de Miranda aurait été entraînée par un réchauffement par effet de marée à un moment où son orbite était plus excentrique qu'actuellement, probablement en raison d'une ancienne résonance orbitale 3:1 avec Umbriel,.

Image proche infrarouge en fausses couleurs d'Uranus en 1998 montrant ses bandes de nuages, ses anneaux et ses lunes par la caméra NICMOS du télescope spatial Hubble.

Les satellites irréguliers d'Uranus ont des orbites elliptiques et fortement inclinées (en majorité rétrogrades), et orbitent à de grandes distances de la planète,. Leur orbite se situe au-delà de celle d'Obéron, la grande lune la plus éloignée d'Uranus. Ils ont probablement tous été capturés par Uranus peu après sa formation. Leur diamètre est compris entre 18 km pour Trinculo et 150 km pour Sycorax. Margaret est le seul satellite irrégulier d'Uranus connu ayant une orbite prograde. C'est également un des satellites du Système solaire ayant l'orbite la plus excentrique avec 0,661, bien que Néréide, une lune de Neptune, ait une excentricité moyenne plus élevée avec 0,751. Les autres satellites irréguliers sont Francisco, Caliban, Stephano, Prospero, Setebos et Ferdinand.

Anneaux planétaires

Uranus possède un système de treize anneaux planétaires connus, le système d' anneaux d'Uranus étant moins complexe que celui de Saturne, mais plus élaborés que ceux de Jupiter ou de Neptune,.

William Herschel décrit la présence possible d'anneaux autour d'Uranus en 1787 et 1789. Cette observation est généralement considérée comme douteuse, car les anneaux sont sombres et ténus et, dans les deux siècles suivants, aucun n'a été noté par d'autres observateurs. Pourtant, Herschel fait une description précise de la taille de l'anneau epsilon, de son angle par rapport à la Terre, de sa couleur rouge et de ses changements apparents alors qu'Uranus orbitait autour du Soleil,. Le système d'anneau est découvert de façon explicite le par James L. Elliot, Edward W. Dunham et Jessica Mink à l'aide du Kuiper Airborne Observatory. La découverte est fortuite car ils prévoyaient d'utiliser l' occultation de l'étoile SAO 158687 par Uranus pour étudier son atmosphère. Lorsque de l'analyse de leurs observations, ils découvrent que l'étoile avait brièvement disparu cinq fois avant et après sa disparition derrière Uranus, les faisant conclure à l'existence d'un système d'anneau autour d'Uranus. Il s'agit alors du deuxième système d' anneaux planétaires découvert après celui de Saturne. Deux autres anneaux sont découverts par entre 1985 et 1986 par observation directe.

En décembre 2005, le télescope spatial Hubble détecte une paire d'anneaux auparavant inconnus. Le plus grand est situé deux fois plus loin d'Uranus que les anneaux précédemment connus. Ces nouveaux anneaux sont si éloignés d'Uranus qu'ils sont appelés le système d'anneaux " extérieur ". Hubble repère également deux petits satellites, dont l'un, Mab, partage son orbite avec l'anneau nouvellement découvert le plus externe. En avril 2006, des images des nouveaux anneaux par l' observatoire de Keck révèlent leurs couleurs : le plus extérieur est bleu et l'autre rouge. Une hypothèse concernant la couleur bleue de l'anneau externe est qu'il est composé de minuscules particules de glace d'eau issues de la surface de Mab qui sont suffisamment petites pour diffuser la lumière bleue.

Leurs distances au centre d'Uranus vont de 39 600 km pour l' anneau ζ à environ 98 000 km pour l' anneau µ. Si les dix premiers anneaux d'Uranus sont fins et circulaires, le onzième, l' anneau ε, est plus brillant, excentrique et plus large, s'étendant de 20 km au point le plus proche de la planète à 98 km au point le plus éloigné. Il est encadré par deux lunes " bergères " , assurant sa stabilité, Cordélia et Desdémone. Les deux derniers anneaux sont très nettement plus éloignés, l' anneau μ se situant deux fois plus loin que l'anneau ε. Il existe probablement de faibles bandes de poussière et des arcs incomplets entre les anneaux principaux. Ces anneaux sont très sombres : l' albédo de Bond des particules les composant ne dépasse pas 2 %, ce qui les rend très peu visibles. Ils sont probablement composés de glace et d'éléments organiques noircis par le rayonnement de la magnétosphère. Au regard de l' âge du Système solaire, les anneaux d'Uranus seraient assez jeunes : leur durée d'existence ne dépasserait pas 600 millions d'années et ils ne se sont donc pas formés avec Uranus,. La matière formant les anneaux a probablement déjà fait partie d'une lune - ou de lunes - qui aurait été brisée par des impacts à grande vitesse. Parmi les nombreux débris formés à la suite de ces chocs, seules quelques particules ont survécu, dans des zones stables correspondant aux emplacements des anneaux actuels.

Autre entourage d'Uranus

Un astéroïde troyen d'Uranus est un astéroïde situé aux alentours d'un des deux points stables de Lagrange (L ₄ ou L ₅) du système Soleil-Uranus, c'est-à-dire situé à 60° en avance ou en retard sur l'orbite d'Uranus. Le Centre des planètes mineures (CPM) ne recense qu'un troyen d'Uranus : , situé autour du point L ₄,. est proposé comme second troyen d'Uranus mais n'est cependant toujours pas approuvé par le CPM,.

Aussi, d'autres objets sont coorbiteurs d'Uranus sans pour autant être classifiés comme troyens. Ainsi, (83982) Crantor est une planète mineure possédant une orbite en fer à cheval vis-à-vis d'Uranus,. D'autres exemples de coorbiteurs potentiels comme ou ont également été découverts.

Des études montrent qu'il serait possible à un quasi-satellite théorique d'Uranus ou de Neptune de le rester pour la durée de vie du Système solaire, moyennant certaines conditions d'excentricité et d' inclinaison. De tels objets n'ont cependant pas encore été découverts.

Observation

Uranus et Neptune depuis la Terre par le grand relevé Two-Micron All-Sky Survey en 1998.

La magnitude apparente moyenne d'Uranus est de +5,68 avec un écart-type de 0,17 tandis que les extrêmes sont de +5,38 et +6,03,. Cette plage de luminosité étant proche de la limite de l' œil nu située à +6, il est ainsi possible avec un ciel parfaitement sombre - avec les yeux accoutumés à l'obscurité - et dégagé de la voir comme une étoile très peu lumineuse, notamment lorsqu'elle se trouve en opposition,,. Cette variabilité est en grande partie expliquée par quelle latitude planétaire d'Uranus est simultanément éclairée par le Soleil et vue depuis la Terre. Sa taille apparente est comprise entre 3,3 et 4,1 secondes d'arc, selon que sa distance à la Terre varie de 3,16 à 2,58 milliards de kilomètres, et elle est ainsi facilement distinguable avec des jumelles,. Avec un télescope possédant un objectif d'un diamètre entre 15 et 23 cm, Uranus apparaît comme un disque cyan pâle avec assombrissement centre-bord. Avec un télescope possédant un plus large objectif, il devient possible de distinguer ses nuages ainsi que certains de ses plus grands satellites, tels que Titania et Obéron,.

Depuis 1997, neuf satellites irréguliers extérieurs ont été identifiés à l'aide de télescopes au sol. Deux lunes intérieures supplémentaires, et Mab, sont découvertes grâce au télescope spatial Hubble en 2003. Le satellite Margaret est le dernier découvert avec sa découverte publiée en . Le télescope spatial Hubble permet également de prendre des photos correctes d'Uranus depuis la Terre, même si elles sont en résolution relative plus faibles que les images de Voyager 2. Entre 2003 et 2005, grâce aux observations ainsi effectuées, une nouvelle paire d'anneaux est découverte, baptisée par la suite système d'anneaux externe, ce qui porte le nombre d'anneaux d'Uranus à 13.

Jusqu'en 2007, Uranus s'est approchée de son équinoxe et une activité nuageuse s'y est développée,. La majeure partie de cette activité ne peut pas être perçue autrement qu'avec le télescope spatial Hubble ou de grands télescopes munis d' optique adaptative.

Exploration

Croissant d'Uranus pris par Voyager 2 alors en route vers Neptune.

Voyager 2.

La planète n'a été visitée et étudiée à courte distance que par une seule sonde spatiale : ( NASA) en 1986, qui est donc la source de la majorité des informations connues sur la planète. L'objectif principal de la mission Voyager étant l'étude des systèmes de Jupiter et Saturne, le survol d'Uranus n'est rendu possible que parce que ceux-ci se sont parfaitement déroulés auparavant.

Lancée en 1977, Voyager 2 fait son approche au plus près d'Uranus le , à 81 500 km du sommet des nuages de la planète avant de poursuivre son trajet vers Neptune,. La sonde étudie la structure et la composition chimique de l'atmosphère d'Uranus, y compris son climat unique, causé par son inclinaison axiale de 97,77°. Elle effectue les premières enquêtes détaillées sur ses cinq plus grandes lunes et en découvre 10 nouvelles. Elle examine les neuf anneaux connus du système, en découvre deux autres et permet d'établir que leur apparition est relativement récente,. Finalement, elle étudie son champ magnétique, sa structure irrégulière, son inclinaison et sa magnétoqueue unique en tire-bouchon causée par son orientation.

n'a pas pu visiter Uranus car l'enquête sur une lune de Saturne, Titan, était considérée comme une priorité. Cette trajectoire a ensuite fait sortir la sonde du plan de l' écliptique, mettant fin à sa mission de planétologie,.

La possibilité d'envoyer l'orbiteur Cassini-Huygens de Saturne jusqu'à Uranus a été évaluée lors d'une phase de planification d'extension de mission en 2009, mais a finalement été rejetée en faveur de sa destruction dans l' atmosphère saturnienne car il aurait fallu environ vingt ans pour arriver au système uranien après avoir quitté Saturne. Par ailleurs, New Horizons 2 - qui a ensuite été abandonnée - aurait également pu effectuer un survol rapproché du système uranien.

Un orbiteur du nom d'Uranus orbiter and probe est recommandé par le Planetary Science Decadal Survey 2013-2022 dans le cadre du programme New Frontiers publié en 2011,. Cette proposition envisageait un lancement en 2020-2023 et une croisière de 13 ans vers Uranus. La sonde pourrait s'inspirer du Pioneer Venus Multiprobe et descendre dans l'atmosphère uranienne.

L' Agence Spatiale Européenne évalue une mission de " classe moyenne " appelée Uranus Pathfinder. D'autres missions telles qu', ou MUSE sont étudiées.

Dans la culture

Références historiques

L'uranium a été nommé en référence à Uranus.

L'élément chimique uranium est découvert en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, nommé d'après Uranus qui venait d'être découverte huit ans auparavant,. Il est ensuite isolé par le chimiste français Eugène-Melchior Péligot en 1841 et reste l'élément le plus lourd connu jusqu'en 1940, où le premier élément transuranien est découvert : le neptunium, nommé quant à lui d'après la planète Neptune.

L'opération Uranus est le nom donné à l' opération militaire réussie de la Seconde Guerre mondiale par l' Armée rouge pour reprendre Stalingrad. Elle débouche sur l'opération Saturne. La même guerre connaîtra ensuite l' opération Neptune, nom de code donné au débarquement en Normandie des troupes alliées en .

Musique et poésie

" Uranus, le magicien " est le mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916. Par ailleurs, les lunes d'Uranus Obéron, Miranda et Titania sont mentionnées dans la chanson Astronomy Domine de Pink Floyd.

Dans le poème de John Keats On First Looking into Chapman's Homer , les deux vers " Then felt I like some watcher of the skies / When a new planet swims into his ken " en français : " Alors je me suis senti comme un observateur des cieux / Quand une nouvelle planète nage dans son horizon ", sont une référence à la découverte d'Uranus par William Herschel.

Littérature et cinéma

Marcel Aymé intitule un de ses romans Uranus car un des personnages lisait un ouvrage d'astronomie au moment d'un bombardement l'ayant marqué.

Depuis sa découverte, Uranus est apparue dans de nombreuses œuvres de science-fiction. Par exemple, elle a été le décor de l'épisode The Daleks' Master Plan de Doctor Who ou de certains niveaux dans la série de jeux vidéo Mass Effect, et le sujet du roman de fiction Uranus de Ben Bova.

Cependant, elle n'a pas inspiré que des œuvres de science-fiction. Ainsi, est un roman de Marcel Aymé paru en 1948 et adapté à l'écran par Claude Berri en 1990,. Le titre du roman vient d'une anecdote racontée par un personnage, le professeur Watrin : un bombardement a tué sa femme un soir d' alors qu'il lisait dans un ouvrage d'astronomie le chapitre consacré à Uranus et le nom de la planète lui rappelle ainsi ce souvenir.

Dans la culture populaire en langue anglaise, de nombreux jeux de mots sont dérivés de la prononciation commune du nom d'Uranus avec l'expression " your anus " en français : " ton/votre anus " et sont notamment utilisés en tant que gros titre dans les articles de presse relatant de la planète,, et ce depuis la fin du . Ce jeu de mots a en conséquence influé la prononciation recommandée de la planète pour éviter l' homonymie.

Cela a également été utilisé dans des œuvres de fiction, par exemple dans la série d'animation où la planète a été renommée pour " en finir une bonne fois pour toutes avec cette stupide blague " en " Urectum " ,.

Symbolisme

Uranus possède deux symboles astronomiques. Le premier à être proposé, ♅, est suggéré par Jérôme Lalande en 1784,. Dans une lettre à William Herschel, le découvreur de la planète, Lalande le décrit comme " un globe surmonté par la première lettre de votre nom ". Une proposition ultérieure, ⛢, est un hybride des symboles de Mars et du Soleil parce qu' Uranus représente le ciel en mythologie grecque, que l'on croyait dominé par les puissances combinées du Soleil et de Mars. À l'époque moderne, il est toujours employé comme symbole astronomique de la planète, bien que son utilisation soit découragée au profit de l' initiale " U " par l' Union astronomique internationale.

Notes et références

Références

Bibliographie

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Articles connexes

Liens externes

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Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

Ressource relative à la santé :

Ressource relative à la bande dessinée :

" Uranus, la géante qui venait du froid ", La Méthode scientifique, France Culture, 23 février 2021.

" Objectif Uranus: pourquoi les scientifiques américains rêvent d'explorer la géante glacée ", Le Figaro Science, 22 avril 2022.

" A deux doigts d'Uranus ", La Science, CQFD, France Culture, 6 octobre 2022.

(en) " Shakespeare in Space ", sur Astronomy Picture of the Day, NASA, (consulté le ) (traduction/adaptation française).

# data[].attributes.attachment_link.description
Uranus Uranus vue par le télescope spatial James-Webb le .

# data[].attributes.body
Elle est la dernière géante gazeuse de notre système solaire. Il n’est possible de l’observer qu’à l’aide d’un télescope. Les scientifiques pensent que sa composition interne est similaire à celle d’Uranus, de même que sa couleur bleue est due à la présence de méthane.

Place dans le système solaire : 8e planète
Taille : 49 244 km de diamètre
Masse : 1,024 × 10^26 kg
Distance au soleil : 4,498 milliards km
Distance maximale depuis la Terre : 4 687 millions de km
Température : −218 °C
1 jour sur Neptune : 16 heures.
Une année sur Neptune : 164,79 ans
Surface : gaz, roches en fusion et glaces

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Neptune

Neptune vue par la sonde Voyager 2 en 1989.

Caractéristiques orbitales

Demi-grand axe

4 498 400 000 km
(30,069 9 au)

Aphélie

4 537 000 000 km
(30,328 au)

Périhélie

4 459 800 000 km
(29,811 6 au)

Circonférence orbitale

28 263 700 000 km
(188,931 au)

Période de révolution

60 216,8 d
(≈ 164.86 a)

Période synodique

367,429 d

Vitesse orbitale moyenne

5,432 48 km/s

Vitesse orbitale maximale

5,479 5 km/s

Vitesse orbitale minimale

5,386 1 km/s

Inclinaison sur l'écliptique

1,77 °

Nœud ascendant

131,784 °

Argument du périhélie

273,2 °

Satellites connus

16, notamment Triton.

Anneaux connus

5 principaux.

Caractéristiques physiques

Rayon équatorial

24 764 ± 15 km
(3,883 Terres)

Rayon polaire

24 341 ± 30 km
(3,829 Terres)

Rayon moyen
volumétrique

24 622 km
(3,865 Terres)

Périmètre équatorial

155 597 km

Superficie

7,640 8 × 10 ⁹ km²
(14,98 Terres)

Volume

6,252 6 × 10 ¹³ km³
(57,74 Terres)

Masse

1,024 3 × 10 ²⁶ kg
(17,147 Terres)

Masse volumique globale

1 638 kg/m³

Gravité de surface

11,15 m/s²
(1,14 g)

Vitesse de libération

23,5 km/s

Période de rotation
(jour sidéral)

0,671 25 d
(16 h 6,6 min)

Vitesse de rotation
(à l'équateur)

9 660 km/h

Irradiance solaire

1,51 W/m²
(0,001 Terre)

Température d'équilibre
du corps noir

46,6 K (−226,4 °C)

* Température à 10 k Pa

55 K (−218 °C)

* Température à 100 k Pa

72 K (−201 °C)

Caractéristiques de l'atmosphère

Masse volumique
à 100 k Pa

0,45 kg/m³

Hauteur d'échelle

19,1 à 20,3 km

Masse molaire moyenne

2,53 à 2,69 g/ mol

Deutérure d'hydrogène HD

190 ppm

Histoire

Découverte par

Urbain Le Verrier (calcul),
Johann Gottfried Galle ( obs.) sur les indications d' Urbain Le Verrier.
Voir Découverte de Neptune.

Découverte le

(calcul)[N 1]
( obs.)

Neptune est la huitième planète par ordre d'éloignement au Soleil et la plus éloignée connue du Système solaire. Elle orbite autour du Soleil à une distance d'environ 30,1 (4,5 milliards de kilomètres), avec une excentricité orbitale moitié moindre que celle de la Terre et une période de révolution de 164,79 . Il s'agit de la troisième planète la plus massive du Système solaire et de la quatrième plus grande par la taille - un peu plus massive mais un peu plus petite qu' Uranus. Par ailleurs, elle est la planète géante la plus dense.

N'étant pas visible à l' œil nu, Neptune est le premier objet céleste et la seule des huit planètes du Système solaire à avoir été découverte par déduction plutôt que par observation empirique. En effet, l'astronome français Alexis Bouvard avait noté des perturbations gravitationnelles inexpliquées sur l'orbite d'Uranus et conjecturé au début du siècle qu'une huitième planète, plus lointaine, pouvait en être la cause. Les astronomes britanniques John Couch Adams en 1843 et français Urbain Le Verrier en 1846 calculèrent indépendamment la position prévue de cette hypothétique planète. Grâce aux calculs de ce dernier, elle fut finalement observée pour la première fois le par l'astronome prussien Johann Gottfried Galle, à un degré de la position prédite. Bien que Galle ait utilisé les calculs de Le Verrier pour découvrir la planète, la paternité de la découverte entre Adams et Le Verrier fut longtemps disputée. Sa plus grande lune, Triton, est découverte 17 jours plus tard par William Lassell. Depuis 2024, on connaît 16 satellites naturels de Neptune. La planète possède également un système d'anneaux faible et fragmenté et une magnétosphère.

La distance de la planète à la Terre lui donnant une très faible taille apparente, son étude est difficile avec des télescopes situés sur la Terre. Neptune est visitée une seule fois lors de la mission , qui en réalise un survol le . L'avènement du télescope spatial Hubble et des grands télescopes au sol à optique adaptative a ensuite permis des observations détaillées supplémentaires.

Comme celles de Jupiter et Saturne, l' atmosphère de Neptune est composée principalement d' hydrogène et d' hélium ainsi que de traces d' hydrocarbures et peut-être d' azote, bien qu'elle contienne une proportion plus élevée de " glaces " au sens astrophysique, c'est-à-dire de substances volatiles telles que l' eau, l' ammoniac et le méthane. Cependant, comme Uranus, son intérieur est principalement composé de glaces et de roches, d'où leur nom de " géantes de glaces ". Par ailleurs, le méthane est partiellement responsable de la teinte bleue de l'atmosphère de Neptune, bien que l'origine exacte de ce bleu azur reste encore inexpliquée. De plus, contrairement à l'atmosphère brumeuse et relativement sans relief d'Uranus, l'atmosphère de Neptune présente des conditions météorologiques actives et visibles. Par exemple, au moment du survol de en 1989, l'hémisphère sud de la planète présentait une Grande Tache sombre comparable à la Grande Tache rouge sur Jupiter. Ces conditions météorologiques sont entraînées par les vents les plus forts connus dans le Système solaire, atteignant des vitesses de 2 100 km/h. En raison de sa grande distance au Soleil, son atmosphère extérieure est l'un des endroits les plus froids du Système solaire, les températures au sommet des nuages approchant ().

La planète porte le nom de Neptune, dieu des mers dans la mythologie romaine, et a pour symbole astronomique ♆, une version stylisée du trident du dieu.

Neptune n'est pas visible à l' œil nu, ; il a donc fallu l'invention du télescope pour pouvoir l'observer. Pourtant, cette découverte se démarque de celle des autres planètes car elle est avant tout mathématique : elle est faite par le calcul à partir de la trajectoire et des caractéristiques d' Uranus. Ainsi, le télescope n'a ensuite servi qu'à la confirmation de la découverte.

Plusieurs astronomes, avant sa découverte au siècle, l'observent cependant sans pour autant noter qu'il s'agit d'une planète. Ainsi, les dessins astronomiques de Galilée montrent qu'il observe Neptune le alors qu'elle apparaît en conjonction avec Jupiter. La planète est alors répertoriée comme une simple étoile fixe. Il la remarque de nouveau dans le ciel un mois plus tard, le , et une étude de 2009 avance qu'il constate même qu'elle a bougé par rapport à une étoile voisine,. Ainsi, ce ne peut pas être une étoile fixe, mais Galilée ne tire aucune conclusion et ne l'évoque plus par la suite. Comme il pensait alors n'avoir observé qu'une étoile, il n'est pas crédité de sa découverte. Neptune est également observée par Joseph Jérôme Lefrançois de Lalande (1732 - 1807) en 1795 et par John Herschel, fils de William Herschel, qui a auparavant découvert Uranus, en 1830, sans qu'ils ne notent non plus rien de particulier, la prenant aussi pour une étoile.

Les mathématiciens commencent dès 1788 à observer que la planète Uranus, récemment découverte, ne présente pas une orbite semblant se conformer aux modèles existants. Aussi, plus le temps passe et plus l'erreur entre la position annoncée de l'astre et celle relevée augmente. Jean-Baptiste Joseph Delambre tente d'expliquer les anomalies en ajoutant l' influence gravitationnelle de Jupiter et Saturne dans ses calculs. Ses tables sont alors plus précises, mais ne permettent toujours pas de prévoir le mouvement de la planète à long terme,. En 1821, l'astronome français Alexis Bouvard publie de nouvelles tables en utilisant 17 observations étalées sur les 40 années écoulées depuis sa découverte pour tenter, en vain, d'expliquer l'orbite d'Uranus,. Des observations ultérieures révèlent des écarts substantiels par rapport aux tables, conduisant Bouvard à émettre l'hypothèse qu'un corps inconnu perturberait l'orbite par interaction gravitationnelle.

Lors d'une réunion de la British Science Association, George Biddell Airy rapporte que les tables de Bouvard sont erronées de l'ordre d'une minute de degré. Principalement deux hypothèses s'opposent alors : celle de Bouvard sur l'existence d'une autre planète encore inconnue, qui pourrait affecter les mouvements d'Uranus, et celle d'une remise en cause de la loi universelle de la gravitation, proposée par Airy - selon lui, la loi de gravitation perdrait de sa validité au fur et à mesure que l'on s'éloigne du Soleil,. Cependant, l'existence d'une nouvelle planète trans-uranienne fait consensus pour la plupart des astronomes pour expliquer les perturbations du mouvement d'Uranus,.

Étudiant à Cambridge, John Couch Adams trouve le le rapport d'Airy concernant le problème de l'orbite d'Uranus et est intéressé par la question. En 1843, une fois ses études finies, il se met au travail et s'appuie sur la loi de Titius-Bode pour obtenir une première approximation de la distance de cette nouvelle planète au Soleil,,. Dans la mesure où la plupart des planètes - sauf Mercure - possèdent une orbite faiblement excentrique, il suppose également que son orbite est circulaire afin de simplifier les calculs. Il termine ses travaux deux ans plus tard, en ayant déterminé la position de Neptune avec une erreur de moins de deux degrés à la position réelle, mais il lui faut encore confirmer par observation,. James Challis, directeur de l'observatoire de Cambridge, le renvoie à l' astronome royal Sir George Biddell Airy. Celui-ci émet dans un premier temps des doutes sur les travaux de son jeune collègue,,.

Parallèlement, en France, François Arago - alors directeur de l' observatoire de Paris - encourage le mathématicien Urbain Le Verrier, spécialisé en mécanique céleste, à déterminer les caractéristiques de cette huitième planète. Il commence ses travaux sur Uranus en 1845 et, ignorant totalement ceux d'Adams, utilise une méthode différente et indépendante,, puis publie ses premiers résultats le dans Premier mémoire sur la théorie d'Uranus, puis dans Recherche sur les mouvements d'Uranus le .

Airy, remarquant les travaux de l'astronome français, fait le parallèle avec ceux d'Adams et entre en contact avec Le Verrier. Ce dernier lui demande à son tour d'effectuer les recherches de la planète à l'aide des calculs qu'il vient de publier, mais Airy refuse. Finalement, sous la pression de George Peacock, Airy demande à James Challis le d'entreprendre la recherche du nouvel astre au télescope. Adams, informé par le directeur de Cambridge, fournit de nouvelles coordonnées à Challis, en précisant que l'objet serait de magnitude 9, mais Airy propose à Challis d'observer une large portion du ciel et jusqu'à une magnitude 11. Cette méthode demande à Challis beaucoup plus de temps d'observation, d'autant plus qu'il ne dispose pas de cartes de la zone à observer fiables. Challis commence ses recherches le puis parcourt le ciel en août et en septembre, sans réussir à l'identifier,.

Perturbations d'Uranus dues à la présence de Neptune (non à l'échelle).

Le Verrier communique ses résultats définitifs à l' Académie des sciences le . Devant le peu d'enthousiasme des astronomes français, il décide de faire alors appel à l'une de ses connaissances, l'astronome prussien Johann Gottfried Galle, de l'observatoire de Berlin,. Heinrich d'Arrest, étudiant à l'observatoire, suggère à Galle de comparer une carte du ciel récemment dessinée dans la région de l'emplacement prédit par Le Verrier avec le ciel actuel, pour rechercher le déplacement caractéristique d'une planète, par opposition à une étoile,.

Le , Galle reçoit par lettre la position de la planète. Il découvre Neptune le soir même, en pointant son télescope à l'endroit indiqué ; elle se trouve alors à seulement un degré de l'emplacement calculé par Le Verrier,. Il l'observe à nouveau le lendemain, pour vérifier si l'astre a bien bougé, avant de confirmer qu'il s'agit bien de la planète recherchée,. Triton, son plus gros satellite naturel, est découverte par William Lassell 17 jours après Neptune,.

Outre-Manche, la déception est grande. Challis, en revoyant ses notes, découvre qu'il a observé Neptune deux fois, les 4 et , mais ne l'a pas reconnue comme une planète car il lui manquait une carte stellaire à jour et il était distrait par son travail simultané sur les observations de comètes,. Par ailleurs, une vive rivalité nationaliste se lance entre les Français et les Britanniques afin d'attribuer la paternité de la découverte. Les Britanniques avancent les papiers d'Adams tandis que les Français réfutent en rappelant que seule une publication officielle peut valider la découverte, et refusent par principe que le nom d'Adams figure à côté de celui de Le Verrier dans les livres d'histoire. En , Adams et Le Verrier se rencontrent pour la première fois à la British Association for the Advancement of Science et entretiennent par la suite une relation amicale.

Finalement, un consensus international apparaît pour que Le Verrier et Adams aient un crédit conjoint. Cependant, depuis 1966, Dennis Rawlins remet en question la prétention d'Adams à la co-découverte et la question est réévaluée par les historiens avec le retour en 1998 des " Neptune papers " à l' Observatoire royal de Greenwich. Après étude des documents, le compte rendu suggère que " Adams ne mérite pas le même crédit que Le Verrier pour la découverte de Neptune. Ce crédit appartient uniquement à la personne qui a réussi à la fois à prédire la position de la planète et à convaincre les astronomes de la rechercher ".

Neptune, dieu des mers, armé de son trident caractéristique (musée du Louvre).

Peu de temps après sa découverte, Neptune est simplement appelée " la planète extérieure à Uranus " ou encore " planète Le Verrier ". La première suggestion de nom vient de Johann Galle, qui propose le nom " Janus ", du dieu romain des commencements et des fins, des choix et des portes,. En Angleterre, Challis propose le nom d'" Oceanus ", un Titan fils d' Ouranos (équivalent grec d'Uranus),.

Revendiquant le droit de nommer sa découverte, Le Verrier propose rapidement le nom " Neptune " pour cette nouvelle planète, tout en affirmant faussement que cela a été officiellement approuvé par le Bureau des longitudes,. En , il change d'avis et cherche à nommer la planète " Le Verrier ", de son nom, ayant le soutien fidèle du directeur de l'observatoire, François Arago. Cette suggestion rencontre cependant une vive résistance hors de France. Les almanachs français réintroduisent le nom " Herschel " pour Uranus, d'après le découvreur de cette planète, Sir William Herschel, et " Leverrier " pour la nouvelle planète.

Wilhelm von Struve se prononce en faveur du nom " Neptune " le à l' Académie des sciences de Saint-Pétersbourg,. Aussi, " Neptune " devient rapidement le nom internationalement accepté. Dans la mythologie romaine, Neptune est le dieu de la mer, identifié au dieu grec Poséidon. La demande d'un nom mythologique est par ailleurs en accord avec la nomenclature des autres planètes qui sont toutes nommées d'après la mythologie romaine,.

La plupart des langues utilisent aujourd'hui une variante du nom " Neptune " pour la planète. Dans les langues chinoises, en vietnamien, en japonais et en coréen, le nom de la planète est traduit par " étoile du roi de la mer " (海王星). En grec moderne, la planète a pour nom " Poséidon " (Ποσειδώνας / Poseidónas ). En hébreu, רהב (), du nom d'un monstre marin mythique mentionné dans le Livre des Psaumes, est sélectionné comme nom officiel de la planète lors d'un vote organisé par l' Académie de la langue hébraïque en 2009 - même si le nom נפטון () reste couramment utilisé. Finalement, en maori, nahuatl et gujarati, la planète prend respectivement les noms du dieu maori de la mer Tangaroa, du dieu de la pluie Tlāloc et du dieu hindou de l'océan Varun.

Dessin du Système solaire par Percival Lowell en 1903.

Neptune est la seule des huit planètes connues à avoir été découverte par le calcul mathématique plutôt que par l'observation empirique. Contrairement aux sept autres planètes, Neptune n'est jamais visible à l' œil nu : sa magnitude apparente se situe entre 7,6 et 8,0 et en fait un astre environ quatre fois moins brillant que les plus pâles étoiles visibles à l'œil nu dont la magnitude apparente est de 6,. Elle n'apparaît comme un disque bleu-vert qu'à travers un télescope.

Durant le siècle et le début du , les astronomes pensent qu'Uranus et Neptune sont des planètes telluriques. En 1909, les scientifiques croient observer, dans le spectre de Neptune, la bande verte caractéristique d'une présence de la chlorophylle, et l'hypothèse de la vie végétale sur cette planète est émise. On s'aperçoit cependant quelques années plus tard que cette bande provient en réalité de l'emploi de plaques orthochromatiques.

À la fin du siècle, il est suggéré que les irrégularités observées dans le mouvement d'Uranus et de Neptune découlent de la présence d'une autre planète encore plus éloignée. Après des recherches approfondies, Pluton est découverte le au point de coordonnées fourni par les calculs de William Henry Pickering et Percival Lowell pour la . Cependant, la nouvelle planète est trop lointaine pour générer les irrégularités observées dans le mouvement d'Uranus, tandis que celles observées pour Neptune découlaient d'une erreur dans l'estimation de la masse de la planète (qui a été identifiée avec la mission de ). La découverte de Pluton est donc plutôt fortuite. En raison de sa grande distance, la connaissance de Neptune reste faible au moins jusqu'en 1949, quand Gerard Kuiper découvre sa deuxième lune Néréide. Dans les années 1970 et 1980, des indices sont obtenus sur la présence probable d' anneaux planétaires ou au moins de fragments autour de Neptune. En 1981, une équipe menée par Harold Reitsema observe un troisième de ses satellites, Larissa,.

Depuis sa découverte en 1846 jusqu'à la découverte de Pluton en 1930, Neptune était la planète la plus éloignée connue. Avec cette découverte, Neptune devient l'avant-dernière planète, sauf pour une période de 20 ans entre 1979 et 1999, lorsque l'orbite elliptique de Pluton faisait qu'elle était plus proche du Soleil que Neptune,,. Finalement, la découverte de la ceinture de Kuiper en 1992 conduit de nombreux astronomes à débattre de la question de Pluton et de savoir si elle doit toujours être considérée comme une planète ou comme intégrée à la ceinture de Kuiper,. En 2006, l' Union astronomique internationale définit le mot " planète " pour la première fois, reclassant Pluton comme " planète naine " et faisant de Neptune à nouveau la planète la plus éloignée du Soleil,.

Comparaison de taille entre Neptune et la Terre.

D'une masse de 1,024 × 10 ²⁶ kg, Neptune est un corps intermédiaire entre la Terre et les géantes gazeuses comme Jupiter ou Saturne. En effet, la masse neptunienne est 17 fois plus importante que celle de la Terre mais 1/ de la masse jovienne,,. Le rayon équatorial de la planète est de 24 764 km, environ quatre fois celui de la Terre,. Sa gravité à 1 est de 11,15 ,, soit 1,14 fois la gravité de surface sur Terre, surpassée seulement par Jupiter dans le Système solaire.

Du fait de la compression gravitationnelle, Neptune est plus petite qu' Uranus (49 528 km de diamètre pour Neptune, contre 51 118 km pour Uranus) car elle est plus massive que cette dernière (Uranus possède une masse de ),.

Par ailleurs, Neptune et Uranus sont souvent considérées comme une sous-classe des planètes géantes, appelées " géantes de glaces " en raison de leur taille plus petite et de leur plus forte concentration de substances volatiles par rapport à Jupiter et Saturne. Dans le cadre de la recherche d' exoplanètes, Neptune est utilisée comme métonymie : les corps découverts ayant une masse similaire sont en effet qualifiés de " Neptunes ", par exemple les Neptune chauds ou froids,.

Composition de Neptune :
1 - haute atmosphère ;
2 - atmosphère composée de gaz d'hélium, d'hydrogène et de méthane ;
3 - manteau composé de glaces d'eau, d'ammoniac et de méthane ;
4 - noyau rocheux.

La structure interne de Neptune serait similaire à celle d'Uranus. Aussi, bien que sa densité soit trois fois plus faible que celle de la Terre, il s'agit de la planète géante la plus dense du Système solaire. Cela implique qu'un plus large pourcentage de son intérieur est composé de glaces fondues et de matériaux rocheux. Ainsi, elle possède probablement un noyau solide composé de fer, de nickel et de silicates, d'une masse d'environ 1,2 fois celle de la Terre,. La pression au centre serait d'environ 8 Mbar (800 GPa) - environ deux fois plus élevée qu'au centre de la Terre - et la température d'environ 8 100 K (7 826,85 °C) - soit plus que celle régnant dans le noyau interne terrestre et à la surface du Soleil,.

Au-dessus de ce noyau, à l'instar d'Uranus, Neptune pourrait présenter une composition assez uniforme (différentes glaces, hydrogène et hélium) et non pas une structure " en couches " comme Jupiter et Saturne. Cependant, plusieurs modèles actuels de la structure d'Uranus et Neptune proposent l'existence de trois couches : un cœur rocheux, une couche médiane allant de glacée à liquide et formée d'eau, de méthane et d'ammoniac, et une atmosphère d'hydrogène et d'hélium, bien que la réalité puisse être plus complexe.

En 1981, des études théoriques et des expériences réalisées par compression laser conduisent Marvin Ross, du laboratoire national Lawrence Livermore, à proposer que cette couche soit totalement ionisée et que le méthane y soit pyrolysé en carbone sous forme de métal ou de diamant. Le méthane se décompose en carbone et en hydrocarbures. Ensuite, la précipitation du carbone libère de l'énergie - énergie potentielle gravitationnelle convertie en chaleur - entraînant des courants de convection qui libèrent les hydrocarbures dans l'atmosphère. Ce modèle expliquerait la présence d'hydrocarbures divers dans l'atmosphère de Neptune,.

En 2017, de nouvelles expériences simulant les conditions présumées régner vers 10 000 km sous la surface d'Uranus et de Neptune viennent conforter ce modèle en produisant des diamants de taille nanométrique. Ces conditions de hautes température et pression ne peuvent pas être maintenues plus d'une nanoseconde sur Terre mais, dans les conditions régnant dans les atmosphères de Neptune ou d'Uranus, les nano-diamants auraient le temps de croître pour donner des pluies de diamants,,. Il est également supposé que ce type de pluie de diamants se produise sur Jupiter et Saturne. Aussi, le sommet du manteau peut être un océan de carbone liquide où les " diamants " solides flottent,,.

Le manteau équivaut à entre 10 et 15 masses terrestres et est riche en eau, en ammoniac et en méthane. Comme il est d'usage en science planétaire, ce mélange est qualifié de glacé même s'il s'agit d'un fluide chaud et dense. Ce fluide, qui a une conductivité électrique élevée, est parfois appelé océan eau-ammoniac. Le manteau peut être constitué d'une couche d'eau ionique dans laquelle les molécules d'eau se décomposent en ions hydrogène et oxygène, et plus profondément en eau superionique, dans laquelle l'oxygène cristallise mais les ions hydrogène flottent librement dans le réseau d'oxygène.

Quatre images prises à quatre heures d'intervalle chacune par Hubble (Wide Field Camera 3 ).

Le climat varié de Neptune par rapport à Uranus est en partie dû à sa chaleur interne plus élevée. Les régions supérieures de la troposphère de Neptune atteignent une température basse de 55 K (−218,15 °C). À une profondeur où la pression atmosphérique est égale à (), la température est de 72 K (−201,15 °C). Plus profondément à l'intérieur des couches de gaz, la température augmente de façon constante.

Comme pour Uranus, la source de ce réchauffement est inconnue. Cependant, l'écart est plus grand sur Neptune : si Uranus rayonne 1,1 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil, Neptune rayonne environ 2,61 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit,,. Ainsi, même si Neptune se trouve 50 % plus loin du Soleil qu'Uranus et ne reçoit donc que 40 % de sa lumière solaire, sa chaleur interne est suffisante pour générer les vents planétaires les plus rapides du Système solaire.

Selon les propriétés thermiques de son intérieur, la chaleur résultante de la formation de la planète peut être suffisante pour expliquer ce flux de chaleur actuel, bien qu'il soit difficile d'expliquer simultanément le manque de chaleur interne d' Uranus tout en observant la similitude apparente entre les deux planètes. Il est aussi possible que les activités atmosphériques sur les deux géantes glacées soient plus dépendantes de l' irradiation solaire que de la quantité de chaleur s'échappant de leur intérieur.

Or, la température de Neptune est loin d'être stabilisée. Grâce à près d'une centaine d'images prises avec le Très Grand Télescope, une équipe de chercheurs obtient ainsi des résultats non explicables par la théorie actuelle. D'une part, entre 2003 et 2018, la température moyenne aurait baissé de 8 °C, en dépit de l'arrivée de l'été austral. D'autre part, un réchauffement rapide est constaté au pôle Sud de Neptune de 2018 à 2020, avec près de 11 °C d'augmentation durant ces deux seules années,.

Image composite de lumière visible et infrarouge de Neptune, montrant des bandes de méthane (en rouge) dans son atmosphère. Par ailleurs, on voit quatre de ses lunes : Protée, Larissa, Galatée et Despina (par Hubble).

L'atmosphère de Neptune, épaisse de plus de 8 000 km, est composée en volume d'environ 80 % d' hydrogène et de 19 % d' hélium avec de l'ordre de 1,5 % de méthane CH ₄- le fait que la somme fasse plus de 100 % est dû aux incertitudes sur ces proportions. Des traces d' ammoniac (NH ₃), d' éthane (C ₂H ₆) et d' acétylène (C ₂H ₂) ont également été détectées. Son atmosphère forme environ 5 % à 10 % de sa masse et représente 10 % à 20 % de son rayon.

La couleur bleue de Neptune provient principalement du méthane qui absorbe la lumière dans les longueurs d'onde du rouge. En effet, des bandes d'absorption importantes de méthane existent à des longueurs d'onde du spectre électromagnétique supérieures à 600 nm.

L'atmosphère de Neptune est divisée en deux régions principales : la basse troposphère, où la température diminue avec l'altitude, et la stratosphère, où la température augmente avec l'altitude. La frontière entre les deux, la tropopause, se situe à une pression de 0,1 bar (10 kPa). La thermosphère vers les pressions proches de 10 stratosphère cède ensuite la place à la ⁻⁵ à 10 −4 bar (1 à 10 Pa) puis passe progressivement à l' exosphère.

Les modèles suggèrent que la troposphère de Neptune est entourée de nuages de compositions variables selon l'altitude. Les nuages de niveau supérieur se trouvent à des pressions inférieures à un bar, où la température permet au méthane de se condenser. Pour des pressions comprises entre un et cinq bars (100 et 500 kPa), ce sont des nuages d'ammoniac et de sulfure d'hydrogène qui se formeraient. Au-dessus d'une pression de cinq bars, les nuages peuvent être constitués d'ammoniac, de sulfure d'ammonium, d'hydrogène sulfuré et d'eau. Plus profondément, vers 50 bars et là où la température atteint 0 °C, il serait possible de trouver des nuages de glace d'eau.

Des nuages de haute altitude sur Neptune ont été observés, projetant des ombres sur le pont nuageux opaque en dessous. Il existe également des bandes nuageuses de haute altitude qui entourent la planète à une latitude constante. Ces bandes circonférentielles ont des largeurs de 50 et 150 km et se situent environ 50 et 110 km au-dessus du pont nuageux. Ces altitudes correspondent à la troposphère, là où les phénomènes climatiques se produisent.

Les images de Neptune suggèrent que sa stratosphère inférieure est trouble en raison de la condensation de produits de la photolyse ultraviolette du méthane, comme l' éthane et l' éthyne,. La stratosphère abrite également des traces de monoxyde de carbone et de cyanure d'hydrogène. La stratosphère de Neptune est plus chaude que celle d'Uranus en raison de sa concentration élevée en hydrocarbures.

Pour des raisons qui restent obscures, la thermosphère est à une température anormalement élevée d'environ 750 K (476,85 °C), la planète étant trop loin du Soleil pour que cette chaleur soit générée par rayonnement ultraviolet,. Le mécanisme de chauffage pourrait être l'interaction atmosphérique avec les ions dans le champ magnétique de la planète. Cela pourrait également être le résultat d' ondes de gravité qui se dissipent dans l'atmosphère. La thermosphère contient des traces de dioxyde de carbone et d'eau, qui peuvent avoir été déposées à partir de sources externes telles que les météorites et la poussière,. Une ionosphère constituée de plusieurs couches a également été découverte entre 1 000 et 4 000 km au-dessus du niveau 1 bar.

La température mesurée dans les couches les plus supérieures de l'atmosphère est de l'ordre de (−218 ), moyenne la plus basse mesurée sur une planète du Système solaire, après Uranus,

Pendant de nombreuses années, une différence marquée de couleur entre les atmosphères d'Uranus et de Neptune a suscité un questionnement dans la communauté scientifique. En , une publication propose une explication : l'image publiée par la NASA après le survol de était traitée pour augmenter la couleur bleue, dans le but de faire ressortir les nuages et les détails de son atmosphère, mais cette information s'est perdue. De nouvelles mesures du spectre de Neptune provenant du télescope spatial Hubble et du Very Large Telescope indiquent que les atmosphères des deux planètes seraient similaires et que les deux planètes partagent la même couleur à quelques variations près.

Le climat sur Neptune est caractérisé par d'importants systèmes de tempêtes, avec des vents dépassant les 2 000 km/h (environ 550 m/s), soit presque un flux supersonique dans l'atmosphère de la planète - où la vitesse du son est deux fois plus grande que sur Terre. Ces vents sont par ailleurs les plus rapides du Système solaire. En suivant le mouvement des nuages persistants, il a été observé que la vitesse du vent varie de 20 m/s lorsqu'ils vont vers l'est à 325 m/s lorsqu'ils vont vers l'ouest. Au sommet des nuages, les vents dominants varient en vitesse de 400 m/s le long de l'équateur jusqu'à 250 m/s aux pôles. La plupart des vents sur Neptune se déplacent dans une direction opposée à la rotation de la planète. Le schéma général des vents montre également une rotation prograde aux latitudes élevées par rapport à une rotation rétrograde aux latitudes faibles. Cette différence de direction d'écoulement serait une sorte d' effet de peau et non le résultat de processus atmosphériques plus profonds.

Neptune diffère grandement d'Uranus par son niveau typique d'activité météorologique. En effet, il n'a été observé aucun phénomène comparable sur Uranus d'après les observations de en 1986.

L'abondance de méthane, d'éthane et d' acétylène à l'équateur de Neptune est 10 à 100 fois supérieure à celle des pôles. Ceci est interprété comme une preuve de phénomènes similaires à une remontée d'eau à l'équateur provoquée par les vents puis d'une plongée d'eau près des pôles. En effet, la photochimie ne peut sinon pas expliquer la distribution sans circulation méridienne.

En 2007, il est découvert que la troposphère supérieure au pôle sud de Neptune est environ 10 degrés plus chaude que le reste de son atmosphère, qui a pour température moyenne environ 73 K (−200,15 °C). Le différentiel de température est suffisant pour permettre au méthane, qui est figé ailleurs dans la troposphère, de s'échapper dans la stratosphère près du pôle. Ce point chaud relatif est dû à l' inclinaison axiale de Neptune, celle-ci exposant le pôle sud au Soleil pendant le dernier quart de l'année de Neptune, soit environ 40 années terrestres. Au fur et à mesure que Neptune se déplace lentement vers le côté opposé du Soleil, le pôle sud devient assombri et le pôle nord illuminé, ce qui provoque le déplacement de ce point chaud vers le pôle nord.

En raison des changements saisonniers, la planète entrant dans son printemps dans son hémisphère sud, les bandes nuageuses de l'hémisphère sud de Neptune augmentent en taille et en albédo. Cette tendance est observée pour la première fois en 1980, et devrait durer jusque dans les années 2020, du fait des saisons qui durent quarante ans sur Neptune en raison de sa longue période de révolution.

Lors du passage de en 1989, la marque la plus distinctive de la planète était la " Grande Tache sombre ", qui présentait à peu près la moitié de la taille de la " Grande Tache rouge " de Jupiter. Cette tache était un gigantesque anticyclone couvrant 13 000 × 6 600 km qui pouvait se déplacer à plus de 1 000 km/h,.

La Grande Tache sombre générait de gros nuages blancs, juste en dessous de la tropopause. Contrairement aux nuages de l'atmosphère terrestre qui sont composés de cristaux de glace d'eau, ceux de Neptune sont constitués de cristaux de méthane. Aussi, tandis que les cirrus sur Terre se forment et se dispersent ensuite en quelques heures, ceux de la Grande Tache étaient encore présents après 36 heures (soit deux rotations de la planète).

La Grande Tache sombre (en haut), le Scooter (nuage blanc au milieu), et la Petite Tache sombre (en bas). Le contraste a ici été exagéré (1989).

En , le télescope spatial Hubble détecte qu'elle a complètement disparu, indiquant aux astronomes qu'elle avait été recouverte ou qu'elle s'était dissipée,. La persistance des nuages l'accompagnant prouve que certaines taches anciennes peuvent subsister sous la forme de cyclones. Toutefois, une tache presque identique était alors apparue dans l'hémisphère nord de Neptune. Cette nouvelle tache, appelée la Grande tache sombre du Nord (NGDS), est restée visible pendant plusieurs années. En 2018, une nouvelle tache similaire a été détectée par Hubble,.

Le Scooter est un groupe de nuages blancs plus au sud de la Grande Tache sombre. Ce surnom est apparu pour la première fois au cours des mois qui ont précédé le survol de en 1989 car il avait alors été observé qu'il se déplaçait à des vitesses plus rapides que la Grande Tache sombre,. La Petite Tache sombre est un cyclone encore plus au sud, la deuxième tempête la plus intense observée lors du survol de 1989. Sur les premières images, elle est complètement sombre mais à mesure que s'approchait de la planète, un noyau lumineux s'est développé et peut être vu dans la plupart des images à haute résolution. Ces deux taches avaient également disparu lors de l'observation de 1994 par Hubble,.

Ces taches sombres se produisent dans la troposphère à des altitudes plus basses que les nuages plus brillants, de sorte qu'elles apparaissent comme des trous dans les ponts de nuages supérieurs. Comme ce sont des caractéristiques stables qui peuvent persister pendant plusieurs mois, il est supposé qu'elles ont des structures de tourbillon. Les nuages de méthane plus brillants et persistants qui se forment près de la tropopause sont souvent associés à des taches sombres. Les taches sombres peuvent se dissiper lorsqu'elles migrent trop près de l'équateur ou éventuellement par un autre mécanisme inconnu.

La magnétosphère de Neptune ressemble à celle d'Uranus, avec un champ magnétique fortement incliné de 47° par rapport à son axe de rotation et décalé d'au moins 0,55 rayon du centre physique de la planète (soit environ 13 500 km).

Avant l'arrivée de Voyager 2 sur Neptune, il était supposé que la magnétosphère inclinée d'Uranus était le résultat de sa rotation sur le côté. Cependant, en comparant les champs magnétiques des deux planètes, il est à présent supposé que cette inclinaison extrême peut être caractéristique des flux magnétiques provenant de l'intérieur des planètes et ne résulte pas de son décalage physique ou d'une inversion de polarité. Ce champ serait alors généré par des mouvements de fluide convectif dans une fine couche sphérique de liquides électriquement conducteurs (probablement une combinaison d'ammoniac, de méthane et d'eau), créant un effet dynamo. Cependant, ses caractéristiques suggèrent qu'il pourrait être généré par un mécanisme différent que ceux de la Terre, Jupiter ou Saturne.

Le champ présente une période de rotation de 16,11 heures. La composante dipolaire du champ magnétique à l'équateur magnétique de Neptune est d'environ 14 microteslas (0,14 ). Le moment magnétique dipolaire de Neptune est d'environ 2,2 (soit 14 , où Rn est le rayon de Neptune). Le champ magnétique de Neptune a une géométrie complexe qui comprend des contributions relativement importantes de composants non dipolaires, y compris un moment quadripolaire fort qui peut dépasser le moment dipolaire en intensité. À l'inverse, des planètes comme la Terre, Jupiter et Saturne n'ont que des moments quadripolaires relativement faibles et leurs champs sont moins inclinés par rapport à l'axe polaire. Le grand moment quadripolaire de Neptune peut être le résultat de son décalage par rapport au centre de la planète et des contraintes géométriques du générateur dynamo du champ,. Par ailleurs, des aurores polaires sont découvertes sur la planète par .

L' arc de choc (" bow shock ") de Neptune - là où la magnétosphère commence à affecter le vent solaire - se produit à une distance de 34,9 fois le rayon de la planète. La magnétopause - là où la pression de la magnétosphère contrebalance le vent solaire - se situe à une distance de 23 à 26,5 fois le rayon de Neptune. La queue de la magnétosphère s'étend jusqu'à au moins 72 fois le rayon de Neptune, et probablement beaucoup plus loin.

Le demi-grand axe entre Neptune et le Soleil est de 4,5 milliards de kilomètres (environ 30,1 unités astronomiques) et elle complète une orbite en moyenne tous les 164,79 ± 0,1 ans. La distance au périhélie est de 29,81 au et de 30,33 au à l' aphélie, ce qui correspond à une excentricité orbitale de 0,008 678. Aussi, l'orbite de Neptune est inclinée de 1,77° par rapport à celle de la Terre et au plan de l' écliptique.

Le , Neptune termine sa première orbite complète depuis sa découverte en 1846,. Cependant, en raison du mouvement du Soleil par rapport au barycentre du Système solaire, Neptune n'était pas au à la position où elle avait été découverte par rapport au Soleil. Ainsi, dans le système de coordonnées héliocentrique usuel, la longitude de découverte a été atteinte le ,,.

L'inclinaison axiale de Neptune est de 28,32°, ce qui est similaire aux inclinaisons de la Terre (23°) et de Mars (25°). En conséquence, Neptune subit les mêmes changements saisonniers que ceux connus sur Terre. La longue période orbitale de Neptune signifie toutefois que ces saisons durent quarante années terrestres, la planète étant dans les années 2020 à son printemps pour l'hémisphère sud.

Son jour sidéral est d'environ 16 heures 7 minutes, défini grâce à la période de rotation du champ magnétique de la planète,. En effet, quelque temps avant son survol de la planète, détecte à intervalles réguliers des ondes radios, signes de son champ magnétique. Ce dernier étant engendré par des courants électriques internes à la planète, il a été déduit que la période de rotation interne était égale à l'intervalle de temps séparant ces bouffées,. Cette rotation induit un aplatissement de la planète : le rayon polaire est de 24 341 km tandis que le rayon équatorial vaut 24 764 km (niveau de pression à 1 ).

Cependant, Neptune n'étant pas un corps solide, son atmosphère subit une rotation différentielle. Ainsi, sa zone équatoriale tourne avec une période d'environ 18 heures tandis que la période de rotations aux régions polaires est de 12 heures. Cette rotation différentielle est la plus prononcée de toutes les planètes du Système solaire et se traduit par un fort cisaillement du vent en latitude.

Les résonances orbitales majeures dans la ceinture de Kuiper causées par Neptune. On observe ceux en résonances 2:3 (plutinos), la ceinture des cubewano non résonnants et ceux en résonance 1:2 (twotinos).

L'orbite de Neptune a un fort impact sur la région située au-delà, connue sous le nom de ceinture de Kuiper. Celle-ci est un anneau de petits corps glacés, similaire à la ceinture d'astéroïdes mais beaucoup plus grand, s'étendant depuis l'orbite de Neptune à 30 au à environ 55 au du Soleil,. De la même manière que la gravité de Jupiter domine la ceinture d'astéroïdes, façonnant sa structure, la gravité de Neptune domine la ceinture de Kuiper. Au cours de l' évolution du Système solaire, certaines régions de la ceinture de Kuiper ont été déstabilisées par la gravité de Neptune, créant des lacunes dans la structure de la ceinture de Kuiper - par exemple, dans la région entre 40 et 42 au.

Des résonances orbitales se produisent lorsque la fraction formée par la période orbitale de Neptune et celle de l'objet est un nombre rationnel, tel que 1:2 ou 3:4. La résonance la plus peuplée de la ceinture de Kuiper, avec plus de 200 objets connus, est la résonance 2:3. Les objets dans cette résonance effectuent deux orbites autour du Soleil pour trois de Neptune et sont connus sous le nom de plutinos, car le plus grand des objets connus de la ceinture de Kuiper, Pluton, en fait partie. Bien que Pluton traverse régulièrement l'orbite de Neptune, la résonance 2:3 garantit que les deux objets ne peuvent jamais entrer en collision. Les résonances 3:4, 3:5, 4:7 et 2:5 sont moins peuplées en comparaison.

Neptune possède au moins une vingtaine de troyens occupant les deux points de Lagrange stables L ₄ et L ₅ du système Soleil-Neptune, l'un menant et l'autre traînant Neptune sur son orbite. Les astéroïdes troyens de Neptune peuvent être considérés comme étant en résonance 1:1 avec Neptune. Certains troyens sont remarquablement stables sur leurs orbites et se sont probablement formés au même moment que Neptune plutôt que capturés.

Simulation du modèle de Nice montrant les planètes extérieures et la ceinture de Kuiper :
1. avant que Jupiter et Saturne n'atteignent une résonance de 2:1 ;
2. après la diffusion vers l'intérieur des objets de la ceinture de Kuiper à la suite du déplacement orbital de Neptune ;
3. après éjection des corps dispersés de la ceinture de Kuiper par Jupiter.

La formation des géantes de glaces, Neptune et Uranus, s'avère difficile à modéliser avec précision. Les modèles actuels suggèrent que la densité de matière dans les régions externes du Système solaire est trop faible pour tenir compte de la formation de si grands corps à partir de la méthode traditionnellement acceptée d' accrétion du noyau, aussi appelée modèle d'accrétion de cœur. Ainsi, diverses hypothèses ont été avancées pour expliquer leur apparition.

La première est que les géantes de glaces n'ont pas été formées par l'accrétion du noyau, mais à partir d'instabilités dans le disque protoplanétaire d'origine qui ont ensuite vu leur atmosphère soufflée par le rayonnement d'une association OB massive à proximité.

Une autre est qu'elles se sont formées plus près du Soleil, où la densité de matière était plus élevée, puis qu'elles ont ensuite réalisé une migration planétaire vers leurs orbites actuelles après le retrait du disque protoplanétaire gazeux. Cette hypothèse de migration après formation est maintenant privilégiée en raison de sa capacité à mieux expliquer l'occupation des populations de petits objets observées dans la région trans-neptunienne,. Le courant le plus largement accepté des explications sur les détails de cette hypothèse est connu sous le nom de modèle de Nice, qui explore l'effet d'une migration de Neptune et des autres planètes géantes sur la structure de la ceinture de Kuiper,,.

Triton, satellite naturel de Neptune, et d'autres satellites qui orbitent près des anneaux. Image prise en ultra-rouge par le télescope spatial James-Webb en 2022.

Neptune possède 14 satellites naturels connus,.

Le plus massif est Triton, découvert par William Lassell 17 jours seulement après la découverte de Neptune, le ,. Il est le par distance croissante à cette dernière et comprend plus de 99,5 % de la masse en orbite autour de la planète,, ce qui fait de lui le seul suffisamment massif pour subir une compression gravitationnelle suffisante pour qu'il soit sphéroïdal. Par ailleurs, son diamètre d'un peu plus de 2 700 km en fait le satellite naturel du Système solaire par taille décroissante - et un astre plus gros que Pluton,.

C'est également le seul gros satellite connu du Système solaire à avoir une orbite rétrograde - c'est-à-dire inverse au sens de rotation de sa planète -, ce qui suggère qu'il est une ancienne planète naine issue de la ceinture de Kuiper capturée par Neptune,. Triton orbite autour de Neptune en 5 jours et 21 heures sur une trajectoire quasiment circulaire ayant un demi grand axe de 354 759 km. Il est suffisamment proche de Neptune pour être verrouillé dans une rotation synchrone et tourne lentement en spirale vers l'intérieur à cause de l' accélération par effet de marée. Il finira par se disloquer dans environ 3,6 milliards d'années quand il aura atteint sa limite de Roche.

Vue en couleurs réelles de Neptune avec Protée (en haut), Larissa (en bas à droite) et Despina (à gauche), depuis le télescope spatial Hubble.

L'inclinaison de son axe est de 156,865° sur le plan de Laplace du système, et jusqu'à 129,6° (-50,4°) sur le plan orbital de sa planète. Ceci lui confère des saisons très marquées tout au long de l'année neptunienne, longue de 164,79 années terrestres ; l'hémisphère sud a ainsi passé son solstice d'été en 2000. En 1989, Triton est l'objet le plus froid jamais mesuré dans le Système solaire, qui présente des températures estimées à 38 K (−235,15 °C),.

Néréide, le deuxième satellite de Neptune à être découvert, ne l'est qu'en 1949, soit plus d'un siècle après Triton,. Très irrégulière, elle est la troisième lune la plus massive du système neptunien et possède l'une des orbites les plus excentriques de tous les satellites du Système solaire - seulement dépassée par Bestla, un satellite de Saturne. Aussi, son excentricité orbitale de 0,751 lui donne une apoapside sept fois plus grande que sa périapside (distance minimale à Neptune),.

Avant l'arrivée de la sonde dans le système de la planète, une unique autre lune est découverte : Larissa, en 1981, grâce à une occultation d'étoile, ; cette troisième lune n'est cependant observée à nouveau que lors du survol de Neptune par la sonde spatiale.

Ensuite, l'analyse des photographies transmises par en 1989 permet de découvrir cinq nouveaux satellites : Naïade, Thalassa, Despina, Galatée et Protée,. Les quatre premiers, les plus internes, orbitent suffisamment près pour être situées dans les anneaux de Neptune. Protée, quant à elle, est une lune de forme irrégulière et remarquable car elle est de la taille maximale qu'un objet de sa densité peut atteindre sans être transformée en une forme sphérique par sa propre gravité. Bien que deuxième lune neptunienne la plus massive, elle ne représente que 0,25 % de la masse de Triton.

Cinq nouvelles lunes irrégulières sont découvertes entre 2002 et 2003, puis baptisées Psamathée, Halimède, Sao, Laomédie et Néso en février 2007. En 2013, la dernière lune découverte est la plus petite connue à ce jour, Hippocampe, est obtenue en combinant plusieurs images d' Hubble,. Parce que Neptune est le dieu romain de la mer, les lunes de Neptune sont nommées d'après des dieux marins inférieurs.

Les anneaux de Neptune pris par Voyager 2 . On note les trois principaux : Galle, Le Verrier et Adams.

Neptune possède un système d' anneaux planétaires, bien que beaucoup moins substantiel que celui de Saturne,. Les anneaux sont sombres et leur composition et leur origine sont incertaines : ils peuvent être constitués de particules de glace recouvertes de silicates, de poussières ou d'un matériau à base de carbone, ce qui leur donne très probablement une teinte rougeâtre.

William Lassell mentionne en premier l'existence des anneaux en 1846, cependant cela aurait pu être une aberration de la lumière. La première détection fiable d'un anneau est faite en 1968 mais passe inaperçue jusqu'en 1977, après la découverte des anneaux d'Uranus qui pousse les scientifiques à en chercher autour de Neptune. À partir de là, des preuves de la présence d'anneaux sont rapportées,. Lors d'une occultation stellaire en 1984, les anneaux obscurcissent une étoile lors de l'immersion mais pas lors de l'émersion, ce qui laisse alors à penser qu'ils pourraient posséder des lacunes,,.

Ce sont les images de Voyager 2 en 1989 qui permettent d'en révéler l'existence, qu'ils sont bien " entiers " et qu'il en existe plusieurs. L'un d'entre eux, l'anneau Adams, possède des " arcs " - c'est-à-dire des parties plus brillantes que le reste de l'anneau - qui sont nommés dans le sens antihoraire Liberté, Égalité (1 et 2 car il s'agit un arc double), Fraternité et Courage au moment de leur première observation lors de l'occultation stellaire ; les trois premiers noms ayant été nommés d'après la devise française par André Brahic.

Anneaux de Neptune avec plus de contraste, on observe les anneaux intermédiaires Lassell et Arago.

Les trois principaux anneaux sont Galle, à 41 900 km du centre de Neptune, Le Verrier, à 53 200 km, et Adams, à 62 932 km. Une faible extension vers l'extérieur de l'anneau Le Verrier est nommée Lassell. Cette dernière est délimitée à son bord extérieur par l'anneau Arago à 57 600 km. Le Verrier, Arago et Adams sont étroits avec des largeurs d'environ 100 km maximum tandis que Galle et Lassell, en revanche sont très larges - entre . Quatre petites lunes ont des orbites à l'intérieur du système d'anneaux : Naïade et Thalassa ont leurs orbites dans l'intervalle entre les anneaux de Galle et Le Verrier. Despina est juste à l'intérieur de l'anneau Le Verrier et Galatée est vers l'intérieur de l'anneau Adams. Par ailleurs, si l'existence des arcs était auparavant difficile à expliquer car les lois du mouvement prédisent que les arcs s'étaleraient en un anneau uniforme sur de courtes échelles de temps, les astronomes estiment maintenant que les arcs sont enfermés dans leur forme actuelle par les effets gravitationnels de Galatée,,.

Les anneaux de Neptune contiennent une grande quantité de poussières dont la taille est de l'ordre du micromètre : la fraction de poussière selon la tranche considérée varie de 20 % à 70 %. À cet égard, ils sont semblables aux anneaux de Jupiter, dont la part de poussière est de 50 % à 100 %, et sont très différents des anneaux de Saturne et Uranus, qui contiennent peu de poussière (moins de 0,1 %) et sont par conséquent moins brillants. Considérés dans leur ensemble, les anneaux de Neptune ressemblent à ceux de Jupiter, les deux systèmes se composent d'annelets de poussières ténus et étroits, et de larges anneaux de poussières encore plus ténus,.

Les anneaux de Neptune, comme ceux d'Uranus, sont considérés comme relativement jeunes ; leur âge est sans doute nettement inférieur à celui du Système solaire. D'autre part, comme pour Uranus, les anneaux de Neptune se sont probablement formés à la suite de la fragmentation d'anciennes lunes intérieures lors de collisions. En effet, il résulte de ces collisions la formation de ceintures de petites lunes, qui sont autant de sources de poussière pour les anneaux. Des observations terrestres annoncées en 2005 semblent montrer que les anneaux de Neptune sont instables et les images prises à l' observatoire WM Keck en 2002 et 2003 montrent une dégradation considérable des anneaux par rapport aux images de Voyager 2 ; en particulier, il semble que l'arc Liberté était en voie de disparition. En 2009, les arcs Liberté et Courage avaient disparu.

Diagramme en coupe à l'échelle de Neptune montrant ses anneaux et les orbites des lunes proches.

Animation montrant l'orbite de six troyens au point de Lagrange L₄ dans un référentiel en rotation centré sur Neptune.

Comme la Terre, Mars, Jupiter et Uranus, Neptune possède des astéroïdes troyens partageant son orbite autour du Soleil.

En 2020, on en compte vingt au point de Lagrange L ₄ (en avance) et trois au point L ₅ (en retard). est le premier observé en par l'équipe de Marc William Buie sur le télescope Blanco de 4 m de l' Observatoire du Cerro Tololo. Sa position relative oscille autour du point L ₄ et le long de l'orbite neptunienne avec une période d'environ 10 000 ans. Son orbite est très stable, il se situe ainsi dans une région qui garantit qu'il co-orbitera encore avec Neptune pendant des milliards d'années.

En 2004 puis 2005, trois nouveaux troyens sont découverts par Scott S. Sheppard et Chadwick Trujillo. L'un d'entre eux, , a la même période orbitale que Neptune et orbite au point de Lagrange L ₄ de Neptune avec cependant une inclinaison de 25 degrés. Les deux autres sont nommés (385571) Otréré et (385695) Clété, d'après deux amazones. est le premier troyen découvert se trouvant au point L ₅ de Neptune.

Des études ont montré qu'il serait possible à un quasi-satellite théorique d' Uranus ou de Neptune de le rester pour la durée de vie du Système solaire moyennant certaines conditions d'excentricité et d' inclinaison. De tels objets n'ont pas encore été découverts mais Neptune possède cependant un quasi-satellite temporaire, . Celui-ci est un quasi-satellite de Neptune depuis environ 12 500 ans et devrait rester dans cet état dynamique pendant au moins autant de temps.

En 2018, l'Observatoire européen austral a développé des méthodes d'optique adaptative permettant d'obtenir des images claires et en haute résolution de Neptune depuis la surface de la Terre.

Neptune vue par James-Webb, avec l'imageur proche infrarouge NIRCam. Vers le bas à gauche, une galaxie spirale relativement petite. Le traitement de l'image a été réalisé par le Space Telescope Science Institute et le Goddard Space Flight Center (septembre 2022).

Du fait de l'évolution de son orbite, Neptune s'est considérablement éclairé depuis 1980. Sa magnitude apparente varie dans les années 2020 entre 7,67 et 8,0 avec une moyenne à 7,78 alors qu'avant 1980, la planète possédait une magnitude moyenne d'environ 8,0. La magnitude limite visuelle de l' œil nu étant 6, Neptune reste cependant toujours invisible sans instrument. Un télescope ou des jumelles puissantes montreront Neptune comme un petit disque bleu, d'apparence semblable à Uranus,.

En raison de la distance de Neptune à la Terre, variant de 4,31 à 4,69 milliards de kilomètres, sa taille apparente ne varie que de 2,2 à 2,4 secondes d'arc, la plus petite variation pour une planète du Système solaire. Sa petite taille apparente rendant difficile l'étude visuelle, la plupart des connaissances à son sujet étaient en conséquence limitées - comme la valeur de sa période de rotation - jusqu'au survol de puis l'avènement du télescope spatial Hubble et des grands télescopes au sol à optique adaptative (AO),,. La première observation scientifiquement exploitable de Neptune à partir de télescopes au sol utilisant l'optique adaptative est réalisée en 1997 à Hawaï. L'hémisphère sud de Neptune est entré dans les années 1980 dans sa saison de printemps - qui durera environ 40 ans du fait de la période de révolution de 165 ans - et il a ainsi été observé qu'elle se réchauffait, avec une activité atmosphérique et une luminosité accrues en conséquence. Combinés aux progrès technologiques, les télescopes au sol à optique adaptative enregistrent des images de plus en plus détaillées.

Depuis la Terre, Neptune subit un mouvement rétrograde apparent tous les 367 jours, résultant en un mouvement en forme de boucle devant les étoiles fixes lors de chaque opposition. Ces boucles l'ont porté près des coordonnées de découverte de 1846 en avril et et de nouveau en octobre et ,. Sa longitude de découverte est atteinte le 11 ou , marquant sa première orbite complète depuis la première observation de Johann Galle,,.

L'observation de Neptune dans la bande des ondes radio montre qu'elle est une source à la fois d'émission continue et de sursauts irréguliers. Ces deux sources proviendraient de son champ magnétique rotatif. Dans la partie infrarouge du spectre, les tempêtes de Neptune apparaissent brillantes sur l'arrière-plan plus froid, ce qui permet de suivre facilement la taille et la forme de ces caractéristiques.

Une des premières photos de Neptune prise par la sonde.

est la première et unique sonde spatiale à avoir visité Neptune et source de la majorité des connaissances actuelles sur la planète,. La trajectoire à travers le système neptunien est mise au point une fois le survol d'Uranus et de ses lunes accompli. Comme il doit s'agir du dernier passage de près d'une planète, il n'existe pas de contraintes sur la manière de sortir du système planétaire et plusieurs choix sont possibles : l'équipe scientifique opte donc pour un passage à faible distance du pôle nord de Neptune ce qui permettra d'utiliser l' assistance gravitationnelle de la planète pour faire plonger la sonde sous l'écliptique pour un survol rapproché de Triton, la principale lune de Neptune, quelles que soient les conséquences de la trajectoire, de façon similaire à ce qui avait été fait pour avec Saturne et sa lune Titan,.

L'éloignement de Neptune diminue le débit théorique permis par la liaison radio. Aussi, plusieurs mesures sont prises dans les années qui précèdent le survol pour renforcer le réseau d'antennes à Terre, notamment l'accroissement de la taille des antennes de réception existantes, la mise en service d'une nouvelle antenne à Usuda au Japon, et le recours au Very Large Array au Nouveau-Mexique.

Vue de croissants de Neptune et Triton par Voyager 2 (1989).

Les premières observations sont effectuées à partir de , soit 90 jours avant le passage au plus près de Neptune et près de trois ans après le survol d'Uranus. Elles permettent de découvrir les anneaux de Neptune, dont l'existence n'avait jusque-là jamais été prouvée : ils sont composés de particules très fines qui ne permettent pas leur observation depuis la Terre. Un champ magnétique est détecté et mesuré, celui étant décalé du centre géologique et incliné comme celui d'Uranus, mais cependant d'intensité bien plus faible. Au cours de la traversée du système neptunien, cinq nouvelles - ou 6 en comptant Larissa - lunes sont découvertes,,. Compte tenu de l'éloignement de , il est difficile d'envoyer à temps de nouvelles instructions pour l'observation de ces nouveaux corps célestes. Seule Protée (400 km de diamètre) est découverte suffisamment tôt pour programmer des observations détaillées. En effet, les signaux de la sonde nécessitaient 246 minutes pour atteindre la Terre et, par conséquent, la mission de Voyager 2 reposait sur des commandes préchargées.

Le survol de Neptune a lieu le : passe à 4 950 km du pôle nord de la planète,. L'atmosphère de Neptune est analysée. Malgré le peu d' énergie solaire reçu du fait de son éloignement (3 % de ce que reçoit Jupiter), une dynamique atmosphérique est observée avec des manifestations comme la " Grande Tache sombre " et des nuages. Des vents se déplaçant à plus de 2 000 km/h sont mesurés. L'étude du champ magnétique permet de déterminer que la durée d'une rotation est de 16,11 heures. Le survol fournit également la première mesure précise de la masse de Neptune qui s'est avérée inférieure de 0,5 % à celle calculée précédemment. Cette nouvelle valeur a alors permis de réfuter l'hypothèse selon laquelle une planète X non découverte agissait sur les orbites de Neptune et d'Uranus,. Les images de Voyager 2 sont diffusées en direct lors d'un programme de PBS de nuit, Neptune All Night,.

Mosaïque de Triton par Voyager 2.

passe à 39 790 km de Triton et peut recueillir des données très précises sur cette lune. La communauté scientifique estimait à l'époque que le diamètre de Triton était compris entre ; la sonde permet de ramener ce chiffre à 2 760 km. Très peu de cratères sont observés, ce qui est expliqué par le volcanisme dont des manifestations sous forme de traces laissées par des geysers sont observées aux pôles. Une atmosphère ténue (pression de soit 1 % à 1,4 % de celle de la Terre), résultant sans doute de cette activité, est détectée par . La température de la surface de Triton, 38 kelvins, est la plus froide jamais détectée sur un corps céleste du Système solaire,.

Voyager 2

Après la mission de survol Voyager 2, la prochaine étape de l'exploration scientifique du système neptunien est considérée comme intégrée au Programme Flagship. Une telle mission hypothétique devrait être possible à la fin des années 2020 ou au début des années 2030. Aussi, une proposition en cours pour le programme Discovery, Trident, effectuerait un survol de Neptune et Triton.

Cependant, il y a déjà eu des discussions pour lancer les missions vers Neptune plus tôt. En 2003, un projet de sonde Neptune Orbiter ayant des objectifs similaires à ceux de est proposé puis, en 2009, la mission qui aurait visité Jupiter, Saturne, Neptune et un objet de la ceinture de Kuiper. Par ailleurs, New Horizons 2 - qui a ensuite été abandonnée - aurait également pu effectuer un survol rapproché du système neptunien.

Les images obtenues par Voyager 2 sont encore de bonnes références.

L'élément chimique neptunium est découvert par Edwin McMillan et Philip Abelson en 1940. La découverte est faite au Berkeley Radiation Laboratory - maintenant Laboratoire national Lawrence-Berkeley - de l' université de Californie à Berkeley, où l'équipe produit l'isotope 239 du neptunium, d'une demi-vie de 2,4 jours, en bombardant de l' neutrons. C'est l'étape intermédiaire menant à la production du uranium 238 (faisant référence à Uranus) avec des Pluton). plutonium 239 (faisant référence à

Après l' opération Uranus, l' opération Neptune est le nom de code donné au débarquement en Normandie des troupes alliées en lors de la Seconde Guerre mondiale. Il précède la bataille de Normandie.

" Neptune, le mystique " est le et dernier mouvement de l'œuvre pour grand orchestre Les Planètes, composée et écrite par Gustav Holst entre 1914 et 1916.

Jimi Hendrix écrit et enregistre pour la première fois en Valleys of Neptune, une chanson qui n'a été publiée (officiellement) qu'en dans l'album éponyme Valleys of Neptune, quarante ans après la mort de l'artiste.

Depuis sa découverte, Neptune est apparue dans de nombreuses œuvres de science-fiction. Elle est notamment la dernière demeure de la race humaine lors de la fin du Système solaire dans le roman d' Olaf Stapledon Les Derniers et les Premiers (1930) ou le décor principal des films de James Gray (2019) et Event Horizon, le vaisseau de l'au-delà de Paul W. S. Anderson (1997).

Elle a également été représentée dans la série d'animation , l'épisode pilote de Star Trek : Enterprise et l'épisode Dans les bras de Morphée de .

Le symbole astronomique de Neptune est une version stylisée du trident du dieu Neptune, dont elle tient le nom. À l'époque moderne, il est toujours employé comme symbole astronomique pour la planète, bien que son utilisation soit découragée par l' Union astronomique internationale.

Il existe un symbole alternatif représentant les initiales de Le Verrier, qui a découvert la planète, plus courant dans la littérature ancienne (surtout française).

1. ↑ Date de publication des résultats entrepris par Le Verrier depuis 1844.

2. ↑ Pluton, dont l'orbite est globalement extérieure à celle de Neptune, a longtemps été considérée comme la planète la plus éloignée du Soleil, mais a été reclassée comme planète naine le à l'issue de la 26e Assemblée générale de l'Union astronomique internationale.

3. Concernant la Terre, voir ↑ Terre#Mythes.

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5. Masse de Triton : 2,14 × 10↑ ²² kg. Somme de la masse des 12 lunes de Neptune : 7,53 × 10¹⁹ kg, soit 0,35 %. La masse des anneaux est négligeable.

6. ↑ La rotation de Triton étant rétrograde, l'inclinaison de son axe est supérieure à 90°. On pourrait dire que son axe est incliné de " -23,135° ".

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Neptune Neptune vue par la sonde Voyager 2 en 1989.