Mots clés : Explication de la température de surface d'équilibre d'une planète. Expérimentation sur les paramètres contrôlant cette température : distance au soleil, albédo et effet de serre., planète, énergie absorbée, énergie rayonnée, énergie solaire, rayonnement, visible, infra-rouge, distance au soleil, effet de serre, albédo, corps noir, pression atmosphérique

Étude des facteurs contrôlant la température de surface d'une planète

Gilles Delaygue

Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement, Aix en Provence.

Benoît Urgelli

ENS-Lyon / DGESCO

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15 - 02 - 2003

Résumé

Explication de la température de surface d'équilibre d'une planète. Expérimentation sur les paramètres contrôlant cette température : distance au soleil, albédo et effet de serre.


Introduction

La température de surface d'une planète résulte d'un équilibre entre l'énergie solaire qu'elle absorbe et l'énergie qu'elle rayonne vers l'espace.


Considérons le cas d'une planète sans atmosphère, assez sombre pour absorber la totalité du rayonnement solaire qu'elle reçoit. On part avec une planète qui n'est pas a l'équilibre, par exemple cachée ou très éloignée du Soleil. On la rapproche d'un coup. Que va-t-il se passer ?

La planète va intercepter une quantité d'énergie lumineuse solaire équivalente à celle qui passerait à travers un disque ayant le même diamètre que la planète. Cette énergie absorbée va réchauffer la planète. Au fur et à mesure que sa surface se réchauffe, la planète émet un rayonnement, comme le font tous les corps solides. L'énergie rayonnée par la planète a une longueur d'onde supérieure à celle reçue du Soleil (rayonnement visible). C'est ce qui explique que la planète n'émet pas de lueur malgré l'existence d'un rayonnement propre.


Au début de ce rayonnement, la planète émet moins d'énergie par rapport à celle qu'elle reçoit du Soleil et continue donc à s'échauffer. Cependant, à partir d'une certaine température de surface, la quantité d'énergie rayonnée par la planète est égale à celle en provenance du Soleil. On atteint alors une température de surface dite d'équilibre . Si la température de surface de la planète s'élève, alors la planète émet encore plus d'énergie qu'elle n'en reçoit et se refroidira donc jusqu'à atteindre sa température d'équilibre.

L'intensité lumineuse décroît de façon non linéaire avec la distance au Soleil

La température d'équilibre atteinte par la surface de la planète dépend de la quantité d'énergie reçue et donc de la distance de la planète au Soleil. Plus la planète est éloignée du Soleil, plus la quantité d'énergie reçue sera faible. Notez que la quantité d'énergie reçue ne décroit pas de façon linéaire avec la distance.

Voir aussi Température de surface et effet de serre

Le rôle de l'albédo

À cause de sa température, la planète émet de l'énergie mais elle en réfléchit aussi par sa surface. L'énergie rayonnée et l'énergie réfléchie différent par leur longueur d'onde : l'énergie réfléchie est de même nature que celle du Soleil (visible) et l'énergie rayonnée est de nature infrarouge.

L'albédo d'une planète s'exprime par un chiffre compris entre 0 et 1. Il correspond à la fraction d'énergie réfléchie par la planète. Par exemple, l'albédo moyen de la Terre est de 0,3, ce qui signifie que 30 % de l'énergie solaire incidente est réfléchie. La fraction d'énergie absorbée correspond à 1 moins l'albédo. Pour la Terre, cette fraction absorbée est de 1-0,30 soit 0,70, ce qui signifie que 70% de l'énergie solaire incidente est absorbée.

Appliquette "Planet Temperature Applet"

Cette appliquette permet de comprendre quels sont les paramètres qui déterminent la température de surface d'une planète. Elle se décompose en trois étapes d'exploitation :

  1. distance de la planète au Soleil ;
  2. albédo ;
  3. effet de serre.

Influence de la distance de la planète au Soleil

Accès à l'applet Planet Temperature sur le site Solar System Collaboratory de l'université du Colorado, USA. (Cet applet ne fonctionnera tout à fait correctement que sous MS Windows (95, 98, or NT 4.0) avec Netscape Navigator 4.5+ ou MS Internet Explorer 4.0+).

Cette simulation calcule la température moyenne de surface d'une planète assimilée à un corps noir situé à une certaine distance du Soleil (utilisez le modèle " fast rotating, dark planet "). C'est le paramètre le plus simple qui détermine la température de surface d'une planète. On peut déplacer la planète X, on obtient sa température de surface.

Vous pouvez montrer que la variation de la température de surface avec la distance au Soleil n'est pas une fonction linéaire.

Vous pouvez également comparer la température donnée par cette simulation simpliste et celle donnée dans le tableau des mesures de la température moyenne de surface pour la Terre, Mars ou Vénus (pdf ou ods).

L'approximation de la température moyenne de surface prend en compte les variations thermiques sur toute la surface et les variations thermiques liées à l'alternance jour-nuit.

Influence de l'albédo de la planète

Accès à l'applet Planet Temperature sur le site Solar System Collaboratory de l'université du Colorado, USA.

Cette fois-ci il faut tout d'abord choisir le modèle " fast rotating planet with adjustable albedo ". En utilisant les valeurs de l'albédo de Mars ou de Vénus et la Terre (voir tableau (pdf ou ods)), vous pourrez voir si cette simulation conduit à une température de surface correcte pour la planète. Vous constaterez que les températures de surface de Mars et de la Terre sont relativement bien modélisées, mais pas celle de Vénus. Il manque donc un paramètre dans ces simulations.

Influence de l'albédo et de l'effet de serre

En prenant en compte l'effet de serre, on dispose d'un modèle plus puissant pour comprendre la température de surface des planètes, notamment Vénus. Il faut pour cela choisir le modèle " fast rotating planet with adjustable albedo and greenhouse strength ". On utilisera l'applet Greenhouse Effect pour calculer la force de l'effet de serre ( greenhouse strength ) en fonction de la composition de l'atmosphère. Tout en faisant varier la distance au Soleil et/ou l'albédo, on peut modifier la pression et la composition atmosphérique en gaz à effet de serre des planètes. On joue donc sur un troisième paramètre permettant de comprendre la température de surface d'une planète.

Mots clés : Explication de la température de surface d'équilibre d'une planète. Expérimentation sur les paramètres contrôlant cette température : distance au soleil, albédo et effet de serre., planète, énergie absorbée, énergie rayonnée, énergie solaire, rayonnement, visible, infra-rouge, distance au soleil, effet de serre, albédo, corps noir, pression atmosphérique