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Conditions à la surface

L'observation de la seule biosphère connue à jour (celle de la Terre) conduit les exobiologistes à poser comme nécessaire la présence d'eau liquide (ou au moins d'un liquide aux propriétés analogues comme l'ammoniac) à la surface d'une planète pour qu'une chimie prébiotique complexe, puis une activité biologique au sens propre, puisse s'y développer. Si bien que la notion d'habitabilité planétaire est de nos jours quasiment devenue un synonyme de présence possible d'eau liquide.

Or, si la disponibilité de l'eau dans l'Univers ne fait guère de doutes (la molécule H₂O étant l'une des plus répandues), la question de son apport sur les planètes telluriques fait encore l'objet de débats. Surtout, la permanence de son état liquide est encore plus difficile à obtenir, et nécessite une fourchette de conditions de pression et de température bien particulières (ainsi, à la pression atmosphérique terrestre, doit-on se trouver entre 0°C et 100°C pour que l'eau puisse demeurer liquide). Les conditions de pression et de température au sein des atmosphères planétaires de leur sommet jusqu'à l'éventuelle surface constituent donc l'un des facteurs essentiels conditionnant les phénomènes pouvant s'y dérouler (qu'ils soient de nature biologique, ou plus simplement chimique ou météorologique).

Classification des atmosphères planétaires

Typologie des atmosphères planétaires en fonction de la température (abscisse) et de la masse de la planète (ordonnée). Les atmosphères habitables correspondent à la zone centrale, où l'eau peut se trouver sous forme de glace, de vapeur et, de façon cruciale, liquide.

Crédit : Tiré de Forget & Leconte (2013)

Observables à distance

Une autre question cruciale est celle de la détectabilité de telles planètes dans notre voisinage galactique. Le seul moyen envisageable pour caractériser ces planètes consiste en l'étude spectroscopique (c'est-à-dire, décomposé selon ses différentes "couleurs") du rayonnement qui nous parvient. Ce rayonnement peut nous parvenir principalement par deux processus physiques distincts :

par la réflexion de la lumière (surtout visible) en provenance de l'étoile-hôte. Cette réflexion est fortement influencée par l'atmosphère entourant la planète, et tout particulièrement par les éventuels nuages. Or ces nuages sont constitués de particules solides et/ou liquides en suspension dans l'atmosphère (sur Terre, principalement des gouttes d'eau liquide ou des cristaux de glace d'eau), et ne peuvent être présents que si une telle condensation est possible, d'où l'importance de connaître les conditions de pression et de température au sein de ces atmosphères. De plus, certains composés gazeux peuvent absorber la lumière stellaire réfléchie dans certaines régions du spectre qui leur sont propres, permettant ainsi d'analyser à distance la composition chimique de l'atmosphère.
par l'émission thermique propre de la planète. Cette émission thermique est conditionnée par les températures des différentes couches de l'atmosphère et de la surface, ainsi que par la capacité de ses constituants à émettre et absorber efficacement ce rayonnement thermique. Son analyse spectroscopique nécessite donc une bonne compréhension des mécanismes en jeu dans cette émission. Ceci permet en retour de pouvoir mesurer à distance la composition et/ou la température au sein d'une atmosphère distante de plusieurs années-lumière...

Il existe trois modes de transport de la chaleur au sein des atmosphères planétaires, qui déterminent les variations de température au sein de ces atmosphères :

Rayonnement électromagnétique Il s'agit là du seul mode qui puisse opérer à travers le vide. Un objet chaud va se mettre à l'équilibre thermodynamique local avec le champ électromagnétique environnant et lui communiquer une partie de son énergie qui sera rayonnée dans tout l'espace (voir la page traitant du corps noir pour plus de détails). Ce rayonnement pourra être absorbé loin de là par un autre objet qui verra alors son énergie interne (et donc sa température) augmenter. Ce phénomène peut être expérimenté facilement dans la vie de tous les jours (lorsque l'on ressent la chaleur d'un feu de bois alors qu'on est situé à plusieurs mètres de là, hors du trajet des fumées).
Conduction C'est un mode de transport possible uniquement dans un milieu matériel. L'agitation thermique de la matière se transmet de proche en proche par simple contact (chocs) entre les molécules du milieu. Un exemple de la vie quotidienne serait un couvert métallique touchant une flamme à l'une de ses extrémités. Au bout d'un certain temps, l'autre extrémité sera à température suffisamment élevée pour qu'on ne puisse plus enlever le couvert sans se brûler. Ce mode de transport est surtout efficace à courte distance (comparable à celle entre les molécules et donc au contact), ce qui le rend peu important au sein des atmosphères planétaires (excepté dans les couches très peu denses où les molécules sont loin les unes des autres, et où les autres modes de transport d'énergie sont encore moins efficaces).
Convection C'est un mode de transport d'énergie qui n'est possible que dans de la matière fluide (ce qui est le cas au sein des atmosphères). La matière elle-même voyage et transporte son énergie interne avec elle, où elle peut être communiquée ensuite par simple contact à la matière environnante (conduction à courte distance). L'exemple caractéristique de la vie quotidienne est le chauffage de l'eau dans une casserole : l'eau est chauffée par conduction avec le fond de la casserole, ce qui entraîne la mise en place d'une circulation de liquide (courants de convection) permettant à cette chaleur d'être distribuée à l'ensemble de l'eau de la casserole de façon homogène.

Illustration des modes de transport de la chaleur

Dans cette situation de la vie quotidienne, les trois modes de transport de l'énergie sont illustrés : la chaleur (énergie thermique) voyage au sein du liquide par des mouvement de convection, la casserole est chauffée radiativement par la plaque et le manche métallique est un bon conducteur de chaleur vers la main.

Introduction

Importance du profil de température

Conditions à la surface

Observables à distance

Transports d'énergie au sein des atmosphères