Résumé.
Plus la masse d'une atmosphère est importante, plus il y fait chaud.
Masse atmosphérique des planètes.
Plus une atmosphère est épaisse, plus elle est massive, plus elle pèse, et donc plus elle engendre une pression atmosphérique élevée. La relation masse pression étant quasiment directe, ce sont les mesures de pression atmosphérique qui seront utilisées ici :
Graphique 1 : températures planétaires (en degrés Celsius) en fonction de la pression atmosphérique et de la distance au soleil.
Sur le graphique 1, dont les données proviennent du tableau 1, c'est-à-dire de la NASA et l'ESA, on voit clairement que plus la pression atmosphérique d'une planète est élevée, plus sa température atmosphérique est élevée. En effet, la masse atmosphérique responsable de cette pression agit comme un accumulateur de chaleur : plus la masse de l'atmosphère est élevée, plus elle peut accueillir une grande quantité de chaleur, et plus elle restitue une température élevée.
Ce phénomène d'inertie thermique se vérifie sur toutes les planètes, qu'elles soient telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Pluton) ou gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune). Notons que les atmosphères de Mercure, Mars, et Pluton sont si légères que leur pression est très inférieure à 0.1 bar, et on ne dispose alors que d'une seule mesure de pression, à savoir celle au sol. Il n'y a pourtant aucune raison de penser que la relation directement proportionnelle entre la masse et la température ne soit pas applicable dans leur cas également (si donc elles possédaient un minimum de masse atmosphérique).
Lorsque la pression atmosphérique est très faible (<< 0.1 bar), c'est-à-dire dans les cas de Mercure, Mars, et Pluton mais aussi dans la haute atmosphère des autres planètes, l'effet de la masse atmosphérique n'intervient donc presque plus : à ces altitudes, ce sont les facteurs externes à la planète qui entrent en jeu, c'est-à-dire le soleil essentiellement. Avec une masse presque nulle, l'atmosphère de Mercure n'a aucune inertie thermique et cette planète subit directement la présence ou l'absence du rayonnement solaire, les températures pouvant aller de -150°C la nuit à +450°C le jour. C'est également aux moyennes et hautes altitudes que l'on observe de fortes variations dans les profiles de température verticaux des planètes possédant une masse atmosphérique suffisante.
A l'inverse, lorsque la pression atmosphérique est élevée (>> 10 bars), c'est-à-dire dans le cas de Vénus mais surtout dans les cas des 4 planètes gazeuses, la masse atmosphérique joue de plus en plus son rôle d'accumulateur de chaleur, tout en étant de plus en plus sous l'influence des caractéristiques profondes de la planète. Dans le cas de Jupiter, la pression atmosphérique/gazeuse augmente continuellement jusqu'à son centre où règne une température de 36000°C. Et il y a déjà +460°C à 100 bars. On prend ici pleinement conscience de l'effet progressif de masse atmosphérique.
Dans le cas de la Terre, cet effet progressif de masse atmosphérique entre en puissance lorsque l'on descend sous la tropopause, c'est-à-dire en-dessous de 12 km d'altitude en moyenne (0.2 bar).
La pression atmosphérique renseigne directement sur la masse atmosphérique sus-jacente : plus cette pression atmosphérique est élevée, plus elle signifie une masse atmosphérique élevée, et plus on mesure effectivement une température élevée.
NB: La pression n'est pas la compression. La pression est statique et ne produit donc aucun travail, alors que la compression est un processus dynamique qui crée alors de la chaleur.
Sur le graphique 1, dont les données proviennent du tableau 1, c'est-à-dire de la NASA et l'ESA, on voit clairement que plus la pression atmosphérique d'une planète est élevée, plus sa température atmosphérique est élevée. En effet, la masse atmosphérique responsable de cette pression agit comme un accumulateur de chaleur : plus la masse de l'atmosphère est élevée, plus elle peut accueillir une grande quantité de chaleur, et plus elle restitue une température élevée.
Ce phénomène d'inertie thermique se vérifie sur toutes les planètes, qu'elles soient telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Pluton) ou gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune). Notons que les atmosphères de Mercure, Mars, et Pluton sont si légères que leur pression est très inférieure à 0.1 bar, et on ne dispose alors que d'une seule mesure de pression, à savoir celle au sol. Il n'y a pourtant aucune raison de penser que la relation directement proportionnelle entre la masse et la température ne soit pas applicable dans leur cas également (si donc elles possédaient un minimum de masse atmosphérique).
Lorsque la pression atmosphérique est très faible (<< 0.1 bar), c'est-à-dire dans les cas de Mercure, Mars, et Pluton mais aussi dans la haute atmosphère des autres planètes, l'effet de la masse atmosphérique n'intervient donc presque plus : à ces altitudes, ce sont les facteurs externes à la planète qui entrent en jeu, c'est-à-dire le soleil essentiellement. Avec une masse presque nulle, l'atmosphère de Mercure n'a aucune inertie thermique et cette planète subit directement la présence ou l'absence du rayonnement solaire, les températures pouvant aller de -150°C la nuit à +450°C le jour. C'est également aux moyennes et hautes altitudes que l'on observe de fortes variations dans les profiles de température verticaux des planètes possédant une masse atmosphérique suffisante.
A l'inverse, lorsque la pression atmosphérique est élevée (>> 10 bars), c'est-à-dire dans le cas de Vénus mais surtout dans les cas des 4 planètes gazeuses, la masse atmosphérique joue de plus en plus son rôle d'accumulateur de chaleur, tout en étant de plus en plus sous l'influence des caractéristiques profondes de la planète. Dans le cas de Jupiter, la pression atmosphérique/gazeuse augmente continuellement jusqu'à son centre où règne une température de 36000°C. Et il y a déjà +460°C à 100 bars. On prend ici pleinement conscience de l'effet progressif de masse atmosphérique.
Dans le cas de la Terre, cet effet progressif de masse atmosphérique entre en puissance lorsque l'on descend sous la tropopause, c'est-à-dire en-dessous de 12 km d'altitude en moyenne (0.2 bar).
La pression atmosphérique renseigne directement sur la masse atmosphérique sus-jacente : plus cette pression atmosphérique est élevée, plus elle signifie une masse atmosphérique élevée, et plus on mesure effectivement une température élevée.
NB: La pression n'est pas la compression. La pression est statique et ne produit donc aucun travail, alors que la compression est un processus dynamique qui crée alors de la chaleur.
Analyse comparée de différentes atmosphères.
Comparaison Vénus Mars : Vénus (+464°C) et Mars (-63°C) ont toutes les deux une atmosphère composée de 96% de CO2 (96.5% pour Vénus et 95.3% pour Mars). Mais la pression atmosphérique de Mars est 156x plus faible qu'ici sur Terre, c'est-à-dire qu'il n'y a presque pas de masse atmosphérique sur Mars. Sur Vénus, c'est l'inverse : la pression atmosphérique est 92x plus importante qu'ici sur Terre, ce qui signifie que la colonne d'air atmosphérique vénusienne est, au sol, 92x plus massive que la colonne d'air atmosphérique terrestre. Et donc que la colonne d'air atmosphérique vénusienne est 14350x plus massive que la colonne d'air atmosphérique martienne. Le poêle de masse atmosphérique est 92x plus massif sur Vénus que sur Terre, et 14350x plus massif que sur Mars : voilà le principal facteur atmosphérique expliquant pourquoi il fait si chaud sur le sol vénusien (NB: tenir compte aussi de sa géologie qui pourrait être surprenante : voir géothermie).
Comparaison Vénus Jupiter : Jupiter est une planète gazeuse, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de sol. Plus on s'enfonce dans son atmosphère, plus la température augmente : le module atmosphérique de la sonde Galiléo a mesuré le 07/12/1995 une température de +153°C à 22 bars de pression et +460°C à 100 bars (200 km de profondeur). Ces deux derniers chiffres sont à mettre en parallèle direct avec les chiffres similaires de +464°C à 92 bars de pression mesurés sur Vénus. Alors que plus haut dans leurs atmosphères, à 1 bar ou 0.1 bar, les différences de température entre les deux planètes sont là très marquées. Il en ressort que plus on s'enfonce dans une atmosphère, plus la température est gouvernée par la masse atmosphérique et, plus globalement, par les caractéristiques internes de la planète. Ou, à l'inverse: plus on s'élève dans une atmosphère, plus le soleil a d'influence sur la température, et plus généralement, plus les caractéristiques externes de la planète ont de l'influence.
Comparaison Vénus Terre : puisque la pression atmosphérique sur Terre est de maximum 1 bar, alors qu'elle monte à 92 bars sur Vénus, il convient de comparer les températures à pression atmosphérique identique : à 1 bar nous avons sur Terre +15°C et sur Vénus +66°C (à une altitude de 49.5 km). A 0.1 bar, les températures sont de respectivement -60°C et -40°C. Vénus reste donc plus chaude que la Terre dans sa haute atmosphère également, ce qui s'explique par la quantité d'énergie reçue du soleil : Vénus reçoit 300 x 10e15 W alors que la Terre ne reçoit que 174 x 10e15 W.
Essai de comparaison Mercure Terre Saturne : ces 3 planètes (2 telluriques et 1 gazeuse) reçoivent la même quantité d'énergie du soleil : 170 x 10e15 W pour Mercure et Saturne, et 174 x 10e15 W pour la Terre, ce qui est quasiment identique. Dit géométriquement, elles s'inscrivent toutes les 3 dans un même cône dont le sommet est situé sur le soleil. On voit dans le diagramme ci-dessus que, à quantité d'énergie reçue égale, et à pression atmosphérique égale, plus une planète est proche du soleil et plus elle est chaude. A 1 bar : -139°C pour Saturne, +15°C pour la Terre. A 0.1 bar : -189°C pour Saturne, -60°C pour la Terre. A une pression encore plus faible, c'est-à-dire à une altitude encore plus élevée, on s'attend à ce que les températures diminuent encore. Or à la pression atmosphérique mercurienne, 1 x 10e-15 b, c'est-à-dire une pression 100 000 milliards de fois plus faible que sur Terre, il y a déjà +167°C de moyenne. Si Mercure avait une atmosphère, donc une masse atmosphérique, on s'attendrait à y observer les températures les plus élevées de toutes les planètes, du moins jusqu'à une certaine profondeur atmosphérique puisque à des pressions élevés ce sont les caractéristiques internes des planètes qui prennent le relais.
NB : Les comparaisons, surtout la dernière, ne peuvent s'affiner que en tenant compte de l'heure solaire à laquelle les mesures de température ont été effectuées, ce qui n'est guère aisé d'obtenir auprès de la NASA ou de l'ESA. Rappelons aussi que plus on monte dans une atmosphère, moins la température a d'importance (voir Température & espace).
Conclusion :
Il ressort de ces analyses que la température de l'atmosphère d'une planète est gouvernée par un effet de masse, plus précisément : l'effet progressif de masse atmosphérique. Celui-ci est alimenté et pris en sandwich entre d'une part la proximité du soleil et d'autre part l'influence des caractéristiques internes des planètes. A la pression de référence de 1 bar, on constate déjà que cet effet de masse explique la température atmosphérique d'une planète. Si l'on pénètre plus profondément dans une atmosphère, l'effet progressif de masse atmosphérique augmente d'importance, en relation avec la géothermie. Si au contraire on s'élève dans une atmosphère, cet effet de masse perd de son existence, le Soleil et son magnétisme dictant alors de plus en plus leur loi.
Sources.
Sources principales : voir Soleil / Introduction.
Sources complémentaires :
http://pgj.pagesperso-orange.fr/planetes/mercure.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Jupiter_(plan%C3%A8te)
http://www.solarviews.com/french/mars.htm
Sources complémentaires :
http://pgj.pagesperso-orange.fr/planetes/mercure.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Jupiter_(plan%C3%A8te)
http://www.solarviews.com/french/mars.htm