La limite froide de l'Habitabilité en surface, ou limite extérieure de la Zone Habitable, correspond à la distance orbitale maximale jusqu'à laquelle une planète peut garder de l'eau liquide à sa surface.
Pour pouvoir estimer cette limite, il s'agit de trouver l'atmosphère la plus efficace pour permettre à une planète de garder son eau liquide aussi loin que possible de son étoile. Il s'agit donc de trouver le meilleur cocktail de gaz à effets de serre, en quantité et en proportion, et qui soit physiquement crédible.
Augmenter l'effet de serre
Un gaz à effet de serre est un gaz capable d'absorber une fraction importante du flux thermique émis par la surface d'une planète, tout en laissant passer la majorité de la lumière en provenance de son étoile (ultraviolet, visible, et proche infrarouge). Cela a pour effet de réchauffer la surface de la planète. Sur Terre, par exemple, les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère réchauffent en moyenne la surface de ~ 33°C.
Il existe de nombreux gaz à effet de serre (CO2,H2O,CH4,NH3, ...), mais seulement certains d'entre eux sont susceptibles d'être réellement présents sur une planète habitable. Les deux gaz les plus réalistes d'une atmosphère de planète habitable sont le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. D'autres gaz comme par exemple l'ammoniac (NH3) et le méthane (CH4) sont envisageables dans une atmosphère abondantes en réducteurs (H2,CO, ...) mais sont rapidement photodissociés par le flux UV s'ils n'en sont pas protégés ou ne sont pas renouvelés.
En fait, il se trouve que l'une des manières les plus efficaces (et aussi plausibles) pour réchauffer une planète est d'avoir une atmosphère épaisse de CO2 !
La diffusion Rayleigh
Le problème, c'est qu'on ne peut pas réchauffer autant qu'on veut une planète en lui ajoutant des gaz à effet de serre à l'infini ... Au delà d'une certaine quantité, alors que l'opacité des gaz à effet de serre dans l'infrarouge commence à saturer, la proportion de rayonnement stellaire absorbé diminue aussi à cause de la diffusion Rayleigh qui tend à réfléchir une partie des photons incident vers l'espace. Si on considère une planète composée d'une atmosphère de CO2 (sans nuages), la distance (du Soleil actuel) la plus lointaine à laquelle une telle planète peut garder de l'eau liquide sera de 1,67 Unités Astronomiques. Cette distance correspond à la limite extérieure de la Zone Habitable et a été établie pour une pression de 8 bars de CO2 (en supposant une gravité terrestre).
Le rôle des nuages
Les nuages ont un rôle important à jouer pour la limite extérieure de la Zone Habitable. Les nuages reflètent une partie de la lumière stellaire incidente, mais peuvent aussi contribuer à l'effet de serre en absorbant le rayonnement venu de la surface et de la basse atmosphère pour rayonner à une température de brillance plus froide. Dans certains cas (voir ci-dessous) ils peuvent même réfléchir le rayonnement thermique de la surface. Ils peuvent donc contribuer positivement comme négativement, selon les situations, au bilan radiatif de la planète considérée.
Il se trouve que lorsque des nuages de CO2 se forment dans une atmosphère épaisse de CO2, la température de surface se réchauffe davantage, repoussant plus loin encore la limite extérieure de la Zone Habitable. Cela est dû à la diffusion du rayonnement thermique par les particules de glace qui composent les nuages de CO2, et qui indirectement réfléchissent vers la surface le rayonnement thermique infrarouge. En prenant en compte ce procédé, la limite froide de l'Habitabilité peut être repoussée jusqu'à 2.5 Unités Astronomiques ! (en supposant une couverture nuageuse totale).
