Mots clés : échauffement, frottement, atmosphère, thermosphère, troposphère, stratosphère, météorite, vaporisation

Échauffement lors de l'entrée dans l'atmosphère

Pierre Thomas

ENS Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

28/09/2001

Résumé

Échauffement des objets ayant une grande vitesse lors de leur entrée dans l'atmosphère.


Table des matières

Question

Objet : questions d'élèves Date  : Sa, 22 Sep 2001 08:54:24 De  : daniel-peschard.

« Un objet qui pénètre dans l'atmosphère terrestre, venant de l'espace, s'échauffe. D'après moi, cet échauffement est dû aux frottements entre l'objet, qui se déplace à grande vitesse, et les molécules de l'atmosphère. Ces molécules étant concentrées pour la plupart dans les basses couches de l'atmosphère (troposphère et stratosphère), c'est là que l'objet devrait subir l'échauffement maximal. Qu'en est-il de l'échauffement de cet objet dans la thermosphère, où la température est élevée (jusqu'à 1 000 °C ?), et où les molécules, très rares, doivent posséder, du fait des températures élevées, une grande énergie cinétique ? »

Réponse

Résumé  : Un objet s'échauffe s'il traverse une atmosphère suffisamment dense (entre 0 et 100 km d'altitude) et s'il possède une vitesse suffisamment élevée. Dans la thermosphère, les molécules ont une vitesse élevée (température élevée), mais elles sont tellement peu nombreuses qu'elle ne communiquent quasiment aucune énergie à un objet qui traverse cette enveloppe. L'échauffement dans la thermosphère est donc quasiment nul.

Pour qu'un objet pénétrant dans l'atmosphère s'échauffe par frottement, il faut qu'il traverse une atmosphère suffisamment dense, et qu'il ait une vitesse suffisamment élevée. C'est à partir de 100 km d'altitude que l'atmosphère devient assez dense pour générer un frottement significatif.

Les tailles suivantes sont données à titre indicatif pour les météorites dépassant le mètre. En effet, la résistance à la fragmentation dépend fortement de la nature de l'objet, par exemple, une chondrite carbonée se fragmentera plus facilement qu'une sidérite (météorite de fer).

Le cas des picométéorites (diamètre inférieur à 0,1 mm).

Elles sont ralenties sans élévation de température ; en effet, le rapport surface/volume, élevé pour ces petits corps, permet à la chaleur dégagée par le frottement de s'évacuer efficacement. L'énergie cinétique de la météorite (1/2mv2) est proportionnelle à la masse, donc au volume, donc au cube du rayon. Cette énergie cinétique, transformée en chaleur par les frottements, est évacuée par la surface, proportionnelle au carré du rayon. Le rapport surface/volume est donc proportionnel à l'inverse du rayon. Une très petite météorite a donc un rapport surface/volume élevé, ce qui signifie que la chaleur est évacuée très efficacement par une grande surface par unité de volume. La météorite ne chauffe donc quasiment pas lors de son ralentissement.

Le cas d'un petit objet de taille comprise entre 0,1 à 50 mm de diamètre.

Dans ce cas, l'échauffement commence vers 100 km, et cesse à la vaporisation complète de l'objet (entre 100 et 30 km).

Le cas de météorites de diamètre compris entre quelques centimètres et quelques dizaines de mètres.

Elles ne sont pas complètement vaporisées. Souvent elles explosent dans l'atmosphère et se fractionnent, les plus gros morceaux atteignent la surface de la Terre. L'échauffement commence vers 100 km. C'est en général vers 40-30 km qu'elles se fractionnent. Cependant, le ralentissement de la météorite ou de ses fragments entre 100 km et la base de la stratosphère (15 km) est tel qu'ils pénètrent dans la troposphère à la vitesse d'équilibre de la chute libre d'un corps dans l'air (de 200 à 400 km/h). À cette vitesse, il n'y a plus d'échauffement, malgré la densité de l'atmosphère. On peut remarquer dans ce cas que le dégagement de chaleur entre 100 et 20-30 km a vaporisé une bonne partie de la météorite et de ses fragments. Cette vaporisation a éliminé beaucoup de chaleur, et l'intérieur des gros morceaux de la météorite reste froid.

Figure 1. 9 octobre 1992, Peekskill, New York


Météorites de plus de quelques dizaines de mètres de diamètre.

Une telle météorite n'est pas suffisamment ralentie, elle chauffe donc sur tout son trajet et arrive à la surface de la Terre avec une vitesse quasiment identique sa vitesse initiale (supérieure à 11 km/s). Dans ce cas, elle est presque entièrement vaporisée lors du choc, qui occasionne un cratère.

Figure 2.  Meteor Crater , Arizona.


Si les météorites contiennent des molécules organiques « pré-biotiques », on voit que les picométéorites et les météorites dont le diamètre n'excède pas quelques dizaines de mètres permettent l'arrivée sur Terre de ces molécules organiques, sans destruction par la chaleur.

Quant à l'échauffement dans la thermosphère, il est quasiment nul. En effet, si les molécules de l'atmosphère ont une vitesse élevée (température élevée), elles sont tellement peu nombreuses qu'elle ne communiquent quasiment aucune énergie à une météorite ou à un satellite.

Figure 3. Navette Atlantis et station Mir dans la thermosphère


La navette spatiale circule dans la thermosphère ; pourtant, un cosmonaute qui resterait à l'ombre, dehors, longtemps et en scaphandre finirait gelé !

Mots clés : échauffement, frottement, atmosphère, thermosphère, troposphère, stratosphère, météorite, vaporisation