Température d équilibre des planètes

Transcription

1 Température d équilibre des planètes GLST 202 Eric Josselin Université Montpellier II Eric Josselin Température d équilibre des planètes 1/43

2 Outline 1 Rappels : les lois du rayonnement 2 Température d équilibre des planètes 3 Atmosphères et effet de serre 4 Pour aller plus loin... Eric Josselin Température d équilibre des planètes 2/43

3 Préambule Svante Arrhenius (1896) Par suite de l acide carbonique dans l air, il nous est permis d espérer des périodes qui offriront au genre humain des températures plus égales et des conditions climatiques plus douces. Cela se réalisera sans doute dans les régions les plus froides de notre Terre... Eric Josselin Température d équilibre des planètes 3/43

5 Rappels sur le rayonnement Nature du rayonnement La lumière = onde électromagnétique Ibn Sahl (983) : loi de la réfraction Snell (1621), Descartes (1637) : optique géométrique Newton(1675) : corpuscules de lumière Rømer (1676) : vitesse finie de la lumière Fresnel (1815) : optique ondulatoire Maxwell : électromagnétisme ( constante) Planck (1900) : quantas de lumière : E = ν = /λ Einstein ( ) : effet photoélectrique, théorie quantique du rayonnement Eric Josselin Température d équilibre des planètes 5/43

6 Rappels : les lois du rayonnement Température d équilibre des planètes Atmosphères et eﬀet de serre Pour aller plus loin... Rappels sur le rayonnement Nature du rayonnement Eric Josselin Température d équilibre des planètes 6/43

7 Rappels sur le rayonnement Lois de Kirchhoff & Bunsen Absorption et émission un gaz "dense" et "chaud" produit un rayonnement continu un gaz "chaud" et "diffus" produit des raies spectrales brillantes (raies d émission) un gaz "froid" et "diffus" devant une source de rayonnement continu produit des raies spectrales sombres (raies d absorption) dans le spectre continu. Eric Josselin Température d équilibre des planètes 7/43

8 Rappels sur le rayonnement Le corps noir Fonction de Planck B λ (T )= 2π2 1 λ 5 exp[(/λ)/(t)] 1 B(T )= B λ (T )λ = σt 4 0 σ = Wm 2 K 4 λ T = 2897µK Eric Josselin Température d équilibre des planètes 8/43

9 Rappels sur le rayonnement Spectroscopie Eric Josselin Température d équilibre des planètes 9/43

10 Rappels sur le rayonnement Illustration : les spectres planétaires Eric Josselin Température d équilibre des planètes 10/43

12 Rappels : les lois du rayonnement Température d équilibre des planètes Atmosphères et eﬀet de serre Pour aller plus loin... Température d équilibre des planètes Première approximation Notions de base I Flux : puissance (reçue, émise) par unité de surface F = L 4π 2 Constante solaire : flux reçu par la Terre : C = 1360 W m 2 F (corps noir) = 0 Bλ (T ) λ = σ T 4 Luminosité = flux surface émettrice L = 4πR 2 σ T 4 (T : température eﬀective = température du corps noir équivalent) Soleil : R = m, T = 5780 K L = W Eric Josselin Température d équilibre des planètes 12/43

13 Température d équilibre des planètes Première approximation Notions de base I Notion de section efficace La surface éclairée d une planète est une demi-sphère... mais elle ne l est pas uniformément! (phénomène des saisons) Calcul du rayonnement reçu : il faut prendre en compte la surface interceptrice et non la surface éclairée : S = πr 2 Eric Josselin Température d équilibre des planètes 13/43

14 Température d équilibre des planètes Première approximation Equilibre thermique Rayonnement reçu = Rayonnement absorbé = Rayonnement réémis Rayonnement reçu : πr 2 L 4π 2 Rayonnement émis : 4πRσT 2 4 T = T R 2 Eric Josselin Température d équilibre des planètes 14/43

15 Température d équilibre des planètes Le Système Solaire N.B. Distances et tailles relatives Eric Josselin Température d équilibre des planètes 15/43

16 Température d équilibre des planètes Résultat N.B. échelle logarithmique! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 16/43

17 Température d équilibre des planètes Deuxième approximation Prise en compte de l albédo Une partie du rayonnement reçu est réfléchie! Le bilan thermique s écrit donc : énergie reçue = énergie réfléchie + énergie absorbée énergie absorbée = énergie réémise La fraction (énergie réfléchie / énergie reçue) est appelée albédo (notée A) On a donc : L 4π 2 πr2 (1 A) =4πR 2 σt 4 Eric Josselin Température d équilibre des planètes 17/43

18 Température d équilibre des planètes Deuxième approximation Notion d albédo L albédo dépend des propriétés de la surface d incidence : propriétés "géométriques" (structure, granularité, etc.). Une surface lisse réfléchit mieux qu une surface accidentée! Cratères météoriques, poussières... (cf. "mers" lunaires) propriétés physico-chimiques : composition, phase... (par exemple, la glace est un meilleur réflecteur que l eau liquide) sur une planète donnée, variations géographiques ET saisonnières! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 18/43

19 Température d équilibre des planètes Deuxième approximation Eric Josselin Température d équilibre des planètes 19/43

20 Rappels : les lois du rayonnement Température d équilibre des planètes Atmosphères et eﬀet de serre Pour aller plus loin... Température d équilibre des planètes Deuxième approximation Eric Josselin Température d équilibre des planètes 20/43

23 Température d équilibre des planètes Deuxième approximation T : Système solaire interne : les planètes telluriques. Planète d (u.a.) albédo T calculée T mesurée Mercure Vénus Terre Mars : année la plus chaude enregistrée, 14.6 C Eric Josselin Température d équilibre des planètes 24/43

24 Température d équilibre des planètes Résultat Eric Josselin Température d équilibre des planètes 25/43

26 Rappels : les lois du rayonnement Température d équilibre des planètes Atmosphères et eﬀet de serre Pour aller plus loin... Atmosphères et eﬀet de serre Rayonnement de la Terre Eric Josselin Température d équilibre des planètes 27/43

27 Atmosphères et effet de serre Principe de l effet de serre Découplage Terre - Atmosphère La Terre et son atmosphère réagissent différemment au rayonnement reçu : coefficients de réflexion, d absorption et d émission différents et dépendant de la longueur d onde du rayonnement! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 28/43

28 Atmosphères et effet de serre Principe de l effet de serre Eric Josselin Température d équilibre des planètes 29/43

29 Atmosphères et effet de serre Principe de l effet de serre Définition des paramètres Albédo de l atmosphère terrestre : A Albédo de la Terre (sol) : A Fraction de rayonnement absorbé = (1 A )(1 A ) 062 coefficient d absorption de l atmosphère : Q (λ) Contributions principales : bandes de CO 2 ( et µm) bandes de H 2 O ( et > 25 µm) bandes de O 3 ( µm) Dans ces bandes, on supposera que 100% du rayonnement infrarouge de la Terre est absorbé et réémis (Autres gaz à effet de serre notables : méthane, CFC) Eric Josselin Température d équilibre des planètes 30/43

30 Atmosphères et effet de serre Effet de serre Equilibre thermique et effet de serre C 4 (1 A )(1 A )+ 1 2 Q (λ)b λ (T )λ = σt 4 Pour la Terre : T T 290 K! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 31/43

31 Atmosphères et effet de serre Formation et évolution des atmosphères planétaires Physique des atmosphères 2 phénomènes-clés : Vitesse de libération vs. vitesse thermique 2GM 3T = = R Cinétique (géo-)chimique : chimie aux interfaces N.B. Dans ces 2 phénomènes, rôle de la température! phénomènes d emballement potentiels... Eric Josselin Température d équilibre des planètes 32/43

32 Atmosphères et effet de serre Formation et évolution des atmosphères planétaires Origine des atmosphères dégazage au moment de la formation de la planète composition initiale : H 2 O, CO 2, similaire pour les 3 planètes. La vapeur d eau disparaît rapidement (photolyse, condensation ou évaporation). Le dioxyde de carbone peut être converti en carbonates (réaction d Urey) : CaO + CO 2 CaCO 3... mais au-delà d une température-seuil, le sens de la réaction s inverse! Cas de Vénus : emballement de l effet de serre ("greenhouse runaway") Eric Josselin Température d équilibre des planètes 33/43

33 Atmosphères et effet de serre Effet de serre Etude critique du modèle La valeur obtenue est une valeur moyenne et haute : Le modèle ne rend pas compte des variations géographiques et temporelles (alternance jour-nuit, saisons, climat) conduction et inertie thermique ; circulation atmosphérique et océanique ; ensoleillement cos(latitude) ; etc. Concentration et coefficient d absorption des gaz à effet de serre. Variations de la luminosité solaire (cycle de 11 ans) L activité humaine! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 34/43

34 Atmosphères et effet de serre Les gaz à effet de serre La vapeur d eau Abondance fortement variable! Condensation sous différentes formes de nuages : nuages hauts, constitués de glaces transparents au rayonnement solaire ; effet de serre important. nuages bas plus chauds opaques, ils refroidissent le sol. Bilan quantitatif difficile! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 35/43

35 Atmosphères et effet de serre Les gaz à effet de serre Le dioxyde de carbone Des causes et des effets (et les échelles de temps associées) difficiles à évaluer : Cycles courts : échanges de carbone entre l atmosphère, les océans et la biosphère (photosynthèse / respiration, oxydation / fermentation) Cycles longs : sédimentation et enfouissement Volcanisme Sources anthropiques principales : combustion des hydrocarbures et combustibles fossiles déforestation cimenteries 6 à 8 Gt par an, soit 1% de la quantité atmosphérique. Eric Josselin Température d équilibre des planètes 36/43

37 Climatologie Climat et astronomie Cycles de Milankovitch Théorie en , validée par le rapport isotopique 18 O/ 16 O (par ex. Vostok) variation de l excentricité de l orbite terrestre autour du Soleil Cycle de ans, = 0 à 0.06 (actuellement, 0,02, décroissante) la variation de l inclinaison de axe de rotation terrestre par rapport au plan de l écliptique Cycle de ans, = 22 à 24,5 (actuellement, 23,5, décroissante) la précession des équinoxes Cycle de ans : refroidissement périodique des régions polaires Eric Josselin Température d équilibre des planètes 38/43

38 Climatologie Climat et astronomie Paradoxe du Soleil jeune Le Soleil est actuellement 25% plus lumineux qu au moment de la formation de la Terre... La Terre était donc plus froide!? Pas d eau liquide!!! Eric Josselin Température d équilibre des planètes 39/43

39 Climatologie Climat et astronomie Paradoxe du Soleil jeune Le Soleil est actuellement 25% plus lumineux qu au moment de la formation de la Terre... Mais la Terre était plus active (volcanisme) plus de gaz à effet de serre température maintenue à un niveau suffisant! De plus, le Soleil jeune était plus actif : émission X Eric Josselin Température d équilibre des planètes 40/43

40 Les exoplanètes Détection et zone habitable Détectabilité Les 2 techniques les plus employées sont : mesures de vitesses radiales transits planétaires (par ex. CoRoT, Kepler) Imagerie directe? Oui, mais... Observations infrarouges (contraste) actuellement, étoiles peu lumineuses uniquement (remarque : dans l infrarouge, bio-signatures!) Zone habitable L eau liquide pérenne est indispensable à l apparition et au développement de la vie (molécule dipolaire et abondante) 273 T 373 K Elle d épend surtout de la température de l étoile (et donc de sa masse) Mais la modélisation est complexe... Eric Josselin Température d équilibre des planètes 41/43

41 Les exoplanètes Détection et zone habitable Eric Josselin Température d équilibre des planètes 42/43

42 Les exoplanètes Détection et zone habitable Eric Josselin Température d équilibre des planètes 43/43