Des cycloïdes sur Europe ?

Depuis la fin des années 70, grâce aux images de la sonde Voyager 1, on sait qu'il existe des fractures cycloïdales à la surface d'Europe, le plus petit des satellites joviens. Jusqu'à présent uniques dans le système solaire, ces fractures sont interprétées comme les témoins de l'environnement gravitionnel du satellite. Leur modélisation nécessite une approche géomécanique...

Europe dans le système jovien

D’un diamètre proche de celui de la Lune, Europe est un des quatre satellites galiléens de Jupiter. C’est le second plus proche de la géante gazeuse, l’ordre étant le suivant : Io, Europe, Ganymède, Callisto. Ils ont tous les quatre une rotation synchrone (présentent toujours la même face à Jupiter, comme la Lune à la Terre) et les trois premiers sont en résonnance. Lorsque Io fait un tour autour de Jupiter, Europe en fait deux et Ganymède quatre. Un jour sur Europe équivaut à 3,55 jours terrestres. Ceci est la situation actuelle, stable, elle n’a peut être pas toujours était semblable…

Un satellite glacé avec une surface relativement jeune

La surface d’Europe se compose d’une croûte de glace d’eau entaillée de nombreuses fractures. La densité de cratères d’impact y est faible et implique un renouvellement de la surface. Les observations tendent à montrer que la fracturation permet de faire remonter de l’eau (ou glace) mélangée avec des silicates donnant la couleur rouge à l’intérieur des fractures.
Europe vue par la sonde Galiléo en 1997. Les fractures sont nettement visibles
Fig 1 : Vue globale d'Europe prise par la sonde Galiléo en 1997 (NASA)

 

En observant les fractures, on en distingue plusieurs types par leur forme et leur nombre de rides. Les fractures linéaires ou curvilignes constituent la majeure partie des fractures visibles sur Europe, elles peuvent comporter deux ou trois rides. Leurs intersections et les décalages engendrés permettent une chronologie relative de ces fractures. Il existe également des fractures cycloïdales comme le montre la photo suivante :
Fractures de l'hémisphère Nord d'Europe (Voyager 1)
Fig 2 : Fractures cycloïdales de l'hémisphère Nord d'Europe vues par la sonde Voyager (NASA)

 

Ces fractures ont été observées dans les deux hémisphères d’Europe mais majoritairement dans les latitudes supérieures à 40° majoritairement (raisons techniques).
Fractures cyloïdales de l'hémisphère Sud d'Europe (Voyager)
Fig 3 : Fractures cyloïdales de l'hémisphère Sud d'Europe vues par la sonde Voyager (NASA)
Cette photo permet de constater que les cycloïdes d'un même hémisphère peuvent être courbées dans les deux sens.

Les fractures cycloïdales : une formation liée aux marées

La forme particulière de ces fractures attire l’attention. Elles ont pour origine l’énorme force de marée exercée par Jupiter sur Europe qui déforme Europe avec une amplitude de 30 m.
La formation des fractures cycloïdales suit le schéma suivant : quand la contrainte extensive atteint le seuil de rupture de la glace, une fracture se forme perpendiculairement à la direction locale de la contrainte extensive et commence à se propager. Les changements d’amplitude et d’orientation des forces tidales à l’échelle d’une journée influent sur la propagation des fractures.
Par conséquent, la propagation peut prendre la forme d’un arc de cercle jusqu’à qu’elle atteigne une position pour laquelle les contraintes exercées sont en-dessous du seuil de rupture de la glace. La propagation est alors stoppée jusqu’à ce que plus tard dans la rotation du satellite autour de la planète, la contrainte appliquée à la position finale de la fracturation repasse au-dessus du seuil de rupture de la glace. Ainsi, la propagation reprend dans la direction perpendiculaire à la nouvelle orientation de la contrainte extensive.
Evolution de la fracture en fonction du champ de contraintes tidales et du nombre d'orbites
Fig 4 : Evolution d'une fracture en fonction de la contrainte tidale extensive et du nombre d'orbites
Si on relie chaque « minimum » on n’obtient pas une droite mais une parabole car pendant que la fracture était inactive, le champ de contrainte de la marée à un peu changé (à cause de la très légère excentricité de l’orbite d’Europe).
En modélisant la surface d’Europe par une couche de glace de plusieurs kilomètres d’épaisseur, plusieurs équipes ont calculé les contraintes nécessaires pour entraîner la rupture et la formation de telles fractures.
Lorsque le seuil de rupture est atteint une fracture s’ouvre à quelques kilomètres par heure (4,6 km/h d’après …) sur plus de 100 km. Les modèles permettent d’avoir une idée de la forme de ces fractures en fonction de leur position sur Europe mais dépendent des paramètres orbitaux tels que la synchronicité de la rotation, l'obliquité, ... :
Répartition globale des cycloïdes (de propagation Est-Ouest) pour une synchronicité de la rotation et une obliquité données
Fig 5 : Répartition globale des cycloïdes (de propagation Est-Ouest) pour une synchronicité de la rotation et une obliquité données (figure d'après T.A. Hurford et al. 2009)
Les modèles montrent également que la fracturation initiale peut se déplacer dans les deux sens (soit d’Ouest en Est ou d’Est en Ouest). Le sens de propagation détermine la concavité ou la convexité des arcs de cercle, mais ne change pas leur distribution globale.
Exemple pour l'hémisphère Sud (liens pour voir les animations) :
d'Est en Ouest :
Propagation d'Est en Ouest d'une fracture cycloïdale dans l'hémisphère Sud
d'Ouest en Est :
Propagation d'Ouest en Est d'une fracture cycloïdale de l'hémisphère Sud d'Europe

Conclusion

Les recoupements des différentes fractures permettent d’établir une chronologie relative. C’est à partir de ce principe fondamental que certaines cycloïdes de l’hémisphère sud d’Europe (qui ne peuvent être modélisées qu'avec des paramètres orbitaux légèrement différents) sont considérées comme plus anciennes. Leurs particularités nous renseignent donc sur d'anciennes caractéristiques orbitales d'Europe.
Plus précisement, les derniers modèles rendent compte de la répartition et de la forme de quelques fractures cycloïdales observées à la condition qu’Europe était en rotation non-synchrone de 0,5 à 1° lors de la formation de ces quelques fractures de l’hémisphère Sud. C'est-à-dire qu’à chaque rotation autour de Jupiter, Europe tournait de 360,5° au lieu de 360° à une certaine époque, toutefois relativement jeune car les fractures sont encore visibles à la surface.
Plus généralement, en plus d’être de formes surprenantes au premier abord, ces fractures apportent de précieux indices sur l’évolution du système jovien au cours du temps.

Sources

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Anonyme a écrit :
17/06/2014 10:59
 Seignovert Benoit 17/05/2012 21:56
Chouette, des belles images pour l'ouverture aux commentaires!

Très bonne idée d'article parce que j'en avais jamais entendu parler de ces fractures. Elle sont vraiment pas classique!
J'ai juste une question très bête. Les forces tidales dont tu parles, c'est bien celles dues aux perturbations gravitationnelles de Io, Ganymède et Callisto? Parce que si ton satellite est déjà en rotation synchrone tu n'as pas de force de marée normalement, non?
C'est peut être aussi dû à sa rotation quasi-synchrone comme tu le mentionnes à la fin, qui suffit à dissiper l'énergie nécessaire pour l'ouverture des fractures. O_o
Les échelles de temps entre deux minima est de combien de temps environ ? (si tu as l'info bien sûr! :p)

J'adore les sujets sur lunes de glaces donc j'en profite pour rajouter tout plein de liens sur APOD avec des superbes images d'Europe :
http://apod.nasa.gov/apod/ap970409.html (2 Avril 1997 : Oceans Under Jupiter's Europa?)
http://apod.nasa.gov/apod/ap980609.html (9 Juin 1998 : Ice Cusps on Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap980910.html (10 Septembre 1998 : Europa: Ridges and Rafts on a Frozen Moon)
http://apod.nasa.gov/apod/ap981215.html (15 Décembre 1998 : Plains and Ridges on Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap041218.html (18 Avril 2000 : Europa: Ice Line)
http://apod.nasa.gov/apod/ap010102.html (2 Janvier 2001 : Jupiter, Europa, and Callisto)
http://apod.nasa.gov/apod/ap010116.html (16 Janvier 2001 : Europa Rotating)
http://apod.nasa.gov/apod/ap020225.html (25 Février 2002 : Crescent Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap020413.html (13 Avril 2002 : Pwyll: Icy Crater of Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap020602.html (2 Juin 2002 : Cracks and Ridges on Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap021101.html (1 Novembre 2002 : Europa's Freckles)
http://apod.nasa.gov/apod/ap030919.html (19 Septembre 2003 : Galileo's Europa)
http://apod.nasa.gov/apod/ap070507.html (7 Mai 2007 : Europa Rising)
http://apod.nasa.gov/apod/ap110130.html (30 Janvier 2011 : Gibbous Europa)
Anonyme a écrit :
17/06/2014 11:00
Hernandez Jean Alexis 19/05/2012 13:43
Exactement, sans l'influence périodique de Ganymède (c'est celui qui perturbe le plus Europe) et d'Io à une moindre échelle, les forces de marée n'aurait aucun effet à l'heure actuelle sur Europe car il est en rotation synchrone autour de Jupiter.
Pour ce qui est de l'intervalle de temps entre deux minima, selon certains modèles (je ne sais pas si c'est valable pour toutes les fractures) l'échelle de temps diminue au fur et à mesure qu'on s'approche de la partie la plus récente de la fracture. L'initiation de la première cycloïde se fait 33h après le périjove (point où la distance entre Jupiter et Europe est la plus faible) et s'arrête à 71h après le périjove. Ensuite, la fracturation reprend à 33h + 3,17h après le périjove et se termine toujours à 71h. Pour l'orbite numéro 3, l'initiation se fait à 33h + 3,17h + 3,17h après périjove et se termine à 71h. Et ainsi de suite, jusqu'à ce que les contraintes tidales ne soient plus assez élevées pour initier la fracturation.
Mais encore une fois, cela doit dépendre de la latitude et des paramètres non pris en compte dans le modèle (obliquité, rotation synchrone ou non, hétérogénéité de la surface, ...).

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