Climatologie comparée des planètes : un bref état des connaissances


 AHLeGall    07/02/2018 : 15:42

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Olivier Planchon est chercheur CNRS au laboratoire LETG-Rennes à l'université Rennes 2.

Olivier Planchon est chercheur CNRS au laboratoire LETG-Rennes à l'université Rennes 2. Son article "Climatologie comparée des planètes : un bref état des connaissances" vient d'être publié en janvier 2018 dans le Journal de l'Association Internationale de Climatologie. Olivier est également membre de la Société d’Astronomie de Rennes (SAR).


Depuis le milieu des années 1990, la découverte de planètes extérieures au système solaire (planètes dites extrasolaires ou exoplanètes) a brusquement relancé un vif intérêt pour l’exploration de l’espace, avec, en particulier, des programmes centrés sur la recherche de nouvelles « Terres » dans la « zone habitable » de leur étoile. La planétologie, discipline typiquement pluri- et interdisciplinaire, connaît donc un essor remarquable, incluant, par exemple, des recherches sur les conditions météorologiques et climatiques sur des mondes plus ou moins lointains.

Ainsi, depuis la dernière décennie du XXe siècle, plus de 3600 planètes ont déjà été découvertes et confirmées en dehors du système solaire, dans plus de 2700 systèmes planétaires. La première exoplanète découverte et confirmée avec certitude, 51 Pegasi b, est située à environ 40 années-lumière de la Terre. Des observatoires spatiaux (européen : CoRoT, de 2006 à 2014 ; américain : Kepler, de 2009 à 2016) ont permis de détecter un grand nombre de ces planètes. Mais ces planètes sont trop éloignées pour que l’on en ait des images directes de leur surface et/ou de leurs systèmes nuageux, aussi fait-on appel à la modélisation pour en simuler les conditions climatiques. De nombreux travaux en planétologie, récents et en cours, se concentrent sur la détection de planètes telluriques, et, parmi les planètes telluriques, sur les planètes de type « super-Terre », c’est-à-dire de masse comprise entre 1,9 et 10 fois la masse de la Terre, et surtout susceptibles d’abriter la vie. Actuellement, seules les planètes du système solaire sont observables directement ; ce sont aussi celles pour lesquelles on dispose des informations les plus précises.

Les principales caractéristiques des planètes du système solaire en font ressortir l’étonnante diversité. Cependant, certains traits principaux déterminent les conditions climatiques générales de chaque planète.

Quels paramètres observer, et comment les comparer ?

Les principaux paramètres permettant de caractériser et comparer les conditions climatiques des différentes planètes telluriques du système solaire sont développés en premier lieu en fonction du rayonnement solaire, lui-même déterminé en fonction de la distance au Soleil, mais également de la période de rotation de la planète et de son albédo.

Les conditions climatiques sont également définies par l’existence d’une atmosphère, de sa composition chimique et de ses mouvements. Dans sa synthèse, Olivier Planchon présente la composition chimique actuelle des atmosphères planétaires et ses conséquences, les étapes de l’évolution temporelle des conditions atmosphériques et climatiques planétaires dans un système de type « solaire », enfin, il présente la planétologie comparée et la paléoclimatologie pour mieux comprendre l’avenir lointain de l’atmosphère et du climat terrestre. Les mouvements atmosphériques planétaires sont présentés quant à eux à travers le rôle joué par le rayonnement solaire et celui de la vitesse de rotation de la planète.

Mais ces conditions climatiques sont également contraintes par des paramètres orbitaux qui permettent d’identifier des cycles saisonniers plus ou moins accentués : l’obliquité et l’excentricité, des variantes illustrées ici par l’exemple de Mars et de la Terre.

L’exemple comparé de Mars et de la Terre

Mars est la planète tellurique du système solaire qui présente les variations saisonnières de la circulation atmosphérique les plus proches de celles de la Terre, mais les paramètres orbitaux de la « Planète Rouge » imposent tout de même des différences sensibles avec la « Planète Bleue ». L’obliquité de Mars est proche de celle de la Terre (respectivement 25,19° contre 23,45°). On distingue donc quatre saisons astronomiques comparables sur les deux planètes.

Cependant, l’obliquité un peu plus accentuée de Mars implique des contrastes plus marqués entre les saisons. Mais on distingue néanmoins quatre saisons astronomiques comparables sur les deux planètes. À l’équinoxe, on distingue, sur Mars à peu près comme sur Terre, deux cellules de Hadley, des cellules qui redistribuent l'énergie accumulée à l'équateur vers les plus hautes latitudes. Sur Mars cependant, à la différence de la Terre, l’air s’élève aux latitudes équatoriales, pour redescendre à mi-latitude en deux cellules symétriques ; et aux solstices, une seule cellule se développe de part et d’autre de l’équateur, avec sa branche ascendante au-dessus des latitudes moyennes de l’hémisphère d’été ; à des latitudes plus élevées (au-delà de 50°S) au solstice d’été austral.


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Circulation atmosphérique sur Mars en été austral. Adapté de Imamura, 2008 (ISAS/JAXA, http://www.isas.jaxa.jp/e/forefront/2007/imamura/02.shtml). Atmospheric circulation over Mars in austral summer. Modified from Imamura, 2008.

Autre différence notoire avec la Terre, sur Mars, les vents de surface peuvent être violents, du fait des forts gradients thermiques générés par la réponse rapide de l’atmosphère aux effets saisonniers. La surface de Mars est recouverte d’une fine couche de poussière facilement mise en mouvement du fait du faible champ de gravité. Les tempêtes de poussière sont donc fréquentes, le plus souvent locales et parfois régionales, en relation avec des facteurs topographiques et radiatifs propres aux environnements arides tels qu’on peut les trouver aussi dans des conditions analogues sur Terre. Exceptionnellement, ces tempêtes peuvent devenir planétaires et durer plusieurs mois comme ce fut le cas en 1971 et, dans une moindre mesure, en 2001. Certaines saisons sont plus favorables que d’autres à ces tempêtes.

L’orbite à faible excentricité de la Terre y impose quatre saisons astronomiques de durée quasi égale. En revanche, la plus forte excentricité de l’orbite de Mars y impose des saisons de durée et d’intensité très inégales. L’hémisphère Sud de Mars est soumis à des saisons plus contrastées que l’hémisphère Nord, avec des hivers plus longs et plus froids et des étés plus courts mais plus chauds. L’échauffement de la surface et les différences de température sont donc favorables aux mouvements atmosphériques violents. Ainsi, la fin du printemps austral marque le début de la « saison des tempêtes de poussière » sur Mars.

Entre similitudes et différences : les limites de la climatologie comparée

Les conditions climatiques des planètes du système solaire, d’une grande diversité, font donc ressortir certains traits communs modulés par les caractères propres à chaque planète (nature et propriétés physiques de la planète, paramètres orbitaux, etc.). Si, par exemple, les cellules de Hadley sont communes à toute planète enveloppée d’une atmosphère, chaque planète est différente d’une autre, unique en quelque sorte.

Mais si chacune des planètes du système solaire est soumise à des conditions climatiques qui lui sont propres, le système solaire lui-même n’est qu’un exemple parmi d’autres systèmes planétaires très diversifiés, chacun d’eux présentant ses caractères propres et abritant une multitude d’autres types de planètes inconnus dans notre système, donc soumis à des conditions climatiques d’autant plus diversifiées et « exotiques ».

Bien que située dans la zone habitable du système solaire, la Terre elle-même nous montre, au fil de sa propre histoire et des temps géologiques, des visages radicalement différents selon les époques, impliquant de fortes fluctuations de son habitabilité.

Quelles perspectives ?

Ces informations paléoclimatiques sont susceptibles d’apporter d’utiles indications sur les environnements exoplanétaires à découvrir. Les connaissances de plus en plus approfondies de l’ensemble des planètes du système solaire et de leur évolution dans le long terme constituent ainsi des aides précieuses aux simulations climatiques effectuées sur certaines exoplanètes de type terrestre déjà découvertes, en attendant de pouvoir en obtenir des observations directes.



Référence
Planchon, Olivier. (2018) : Climatologie comparée des planètes : un bref état des connaissances. Climatologie, 14, 18-47 


Contact OSUR
Olivier Planchon (LETG-Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @





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